De huidige natuurkundige wetten kunnen niet helemaal verklaren waarom wij bestaan. Neutrino’s zijn mogelijk het antwoord.
Ons universum bestaat uit materie, zoals sterren, planeten en ja, ook wij. Eigenlijk is dat heel gek. Want volgen we stap voor stap de kosmologische theorie over de oerknal, dan zouden we juist níet moeten bestaan. In een eerdere studie stelden wetenschappers al dat superkleine neutrino-deeltjes mogelijk ons bestaan kunnen verklaren. En in een nieuwe studie hebben onderzoekers gepoogd het mysterie verder te ontrafelen.
Materie vs antimaterie
Hoe zat het ook alweer? Helemaal aan het begin, tijdens de oerknal, ontstond er een enorme hoeveelheid energie. Die energie veranderde vervolgens in materie. Maar wanneer energie in materie verandert, is er één regel: materie gaat altijd vergezeld met antimaterie. Het betekent dat er aan het begin van het universum evenveel materie als antimaterie werd geproduceerd. Als dit zo was gebleven zouden ze elkaar uiteindelijk hebben ontmoet, met een grote uitbarsting van energie tot gevolg, waardoor alles werd vernietigd. En in dat geval was het universum dus leeg geweest: geen sterren, geen planeten en nee, geen mensen. Ons bestaan is dus in tegenspraak met deze theorie. Op de een of andere manier moet een klein beetje antimaterie in materie zijn veranderd. Want alleen op die manier zou er een onbalans tussen de twee zijn ontstaan waardoor totale verwoesting werd voorkomen.
Neutrino’s
Omdat materie en antimaterie tegenovergestelde elektrische ladingen hebben, kunnen ze in beginsel niet in elkaar veranderen. Een elektron heeft bijvoorbeeld een lading -1 en het antideeltje de positron +1. Protonen hebben een lading +1 en de antiprotonen -1. Omdat je elektrische ladingen niet kunt veranderen, kan antimaterie dus niet in materie veranderen. Sterker nog, bij contact vernietigen ze elkaar. Maar… nu hebben onderzoekers in een nieuwe studie aangetoond dat neutrino’s en het antideeltje – de antineutrino’s – zich anders gedragen en elkaar mogelijk niet uitroeien. “Tot dusver zijn de enige verschillen die we kennen tussen materie en antimaterie erg klein en daarom niet genoeg om uit te leggen waarom bijna alle antimaterie in het universum verdween,” vertelt onderzoeker Patrick Dunne aan Scientias.nl. “Maar onze bevindingen geven een sterke aanwijzing dat er voor neutrino’s wel een groot verschil tussen materie en antimaterie geldt.”
Neutrino’s zijn fundamentele deeltjes maar hebben geen sterke interactie met normale materie. Op dit moment reizen ze dan ook met miljarden door jouw lichaam, zonder dat je daar iets van merkt. Voor zover we nu weten, zijn deze neutrino’s er in drie ‘smaakjes’: je hebt muon-, elektron- en tau-neutrino’s. Bekend is dat neutrino’s terwijl ze reizen in een ander smaakje kunnen veranderen. Zo werd in 2013 voor het eerst aangetoond dat een muon-neutrino in een elektron-neutrino veranderde.
De onderzoekers trekken deze conclusie op basis van een experiment. “We namen een straal materie-neutrino’s met de zogenaamde muon-smaak en vuurde deze van de J-PARC-faciliteit in Tokai, Japan over een afstand van 295 kilometer naar de Super-Kamiokande-detector,” legt Dunne uit. “Aan het andere uiteinde merkten we op dat de straal was veranderd in een mix van verschillende smaken. We ontdekten echter dat als we hetzelfde doen met een straal antimaterie-neutrino’s, het aantal dat van smaakje verandert, niet hetzelfde is als voor de materie-neutrino’s.” Het betekent dat materie-neutrino’s dus vaker van smaakje veranderen dan antimaterie-neutrino’s. “Als soortgelijke processen ook in het vroege universum plaatsvonden, kan dit verklaren waarom alle antimaterie verdween maar de materie bleef,” aldus Dunne.
Groot nieuws
De resultaten kunnen beter dan ooit te voren het door materie gedomineerde universum verklaren en geven een antwoord op de fundamentele vraag waarom een totale vernietiging uitbleef. “Onze resultaten geven de sterkste hint tot nu toe dat het antwoord mogelijk iets te maken heeft met neutrino’s,” zegt Dunne. En dat is groot nieuws. “Toch is er nog veel werk aan de winkel om dit te bevestigen,” gaat Dunne verder. “Als dat gebeurt zal het diepgaande gevolgen hebben voor de fysica en zou het de weg banen naar een beter begrip over hoe ons universum is geëvolueerd.”
Experimenten
Hoewel de bevindingen het sterkste bewijs tot nu toe leveren dat neutrino’s en antineutrino’s zich anders gedragen – de onderzoekers zijn hier met een waanzinnige 95 procent zeker van – gaat onderzoek door. “Net zoals het opgooien van een munt, heeft het zoeken naar neutrino’s met onze detectoren een zekere willekeur,” legt Dunne uit. “De kans dat je met een munt tien keer kop gooit is klein, maar desalniettemin niet uit te sluiten. En zo werkt het ook met onze experimenten. We denken het 95 procent zeker te weten, maar er bestaat een kans van 5 procent dat de resultaten die we zien de uitkomst zijn van toeval. Om er dus zeker van te zijn, moeten we meer gegevens verzamelen en onze detectoren beter begrijpen. Want het gooien van tien keer kop op rij met de eerder genoemde munt is vrij onwaarschijnlijk, maar de kans dat dit twintig keer uit puur toeval gebeurt nog veel kleiner. We zullen dus doorgaan met onze experimenten.” Daarnaast werken wetenschappers eveneens aan de bouw van veel grotere neutrino-experimenten, zoals de DUNE in de Verenigde Staten en de Hyper-K in Japan die nog krachtigere neutrinostralen zullen uitzenden. De bouw aan beide detectoren is pas net begonnen en de eerste resultaten worden dan ook pas in 2027 verwacht. Met deze detectoren kunnen er nog veel meer neutrino’s verzameld worden en dus kunnen onderzoekers de bevindingen uit de huidige studie verifiëren.
Toch zijn we nu dichterbij dan ooit om het bestaan van het universum en daarmee ook onszelf, te verklaren. Een prachtig resultaat. “Waarom materie bestaat en antimaterie niet, is één van de grootste onbeantwoorde vragen in de natuurkunde,” zegt Dunne. “Er is veel onderzoek gedaan naar deze vraag en we weten dat een groot verschil in gedrag tussen materie en antimaterie één van de belangrijkste noodzakelijke voorwaarden is om hierop antwoord te geven. Ons resultaat is een sterke aanwijzing dat – in tegenstelling tot elk ander deeltje dat we hebben bestudeerd – neutrino’s in staat zijn om aan dat grote verschil te voldoen. Dit baant de weg vrij om die ene grote, fundamentele vraag te beantwoorden; waarom bestaat het universum uit materie?”
