Het ondergrondse XENON-experiment in Gran Sasso, Italië, kan niet alleen jagen op donkere materie, maar is ook geschikt om de diepere aard van neutrino’s te bestuderen. Dat is de conclusies uit een nieuwe studie die zojuist is gepubliceerd in Physical Review C.
“We voegen vanaf nu een volwaardig tweede onderzoeksonderwerp toe aan het menu van XENON”, zegt Nikhef-onderzoeker Patrick Decowski (UvA), een van de hoofdauteurs van het nieuwe artikel. “De neutrinosector is een van de meest raadselachtige in het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Het is fantastisch als we daar zicht opkunnen krijgen.”
Vijfmaal groter
Nikhef speelt een aanzienlijke rol in het XENON-experiment dat de afgelopen jaren verder in uitgebreid, met ondermeer een vijfmaal groter volume vloeibaar xenon-gas.
XENON is een detector diep onder de bergen bij L’Aquila in het noorden van Italië, waar met een vat vloeibaar xenon-gas gewacht wordt tot deeltjes donkere materie uit de ruimte een atoom raken en een signaal in het apparaat veroorzaken. Het vat xenon geeft echter heel soms ook signalen die samenhangen met het verval van xenon naar tellurium.
Het natuurlijke verval van xenon is heel zeldzaam, maar voor het speuren naar binnenkomende donkere materie is belangrijk te weten hoe vaak het precies optreedt. In 2019 werd in XENON een halfwaardetijd van zeker 18 miljard biljoen jaar gemeten. Dat is uiterst zeldzaam, maar niet nul.
Harde statistiek
In de nieuwe studie wordt dat getal iets bijgesteld naar 11 miljard biljoen jaar, maar wel met veel hardere statistiek van 7 sigma. In de natuurkunde geldt 5 sigma een bewijs dat een meting geen toeval kan zijn.
XENON was en is daarmee al een van de minst radioactieve volumes op aarde en misschien wel de hele Melkweg, zegt Decowski. “Dat we dat kunnen meten betekent dat we processen kunnen gaan bekijken die tot nog toe door de achtergrond werden overstemd.”
Belangrijkste doelwit is een proces dat in de natuurkunde heet het neutrinoloze dubbel-bètaverval van xenon, waarbij toevallig tegelijk twee neutronen in de kern vervallen in protonen en elektronen. Bij normaal bètaverval komt behalve een proton en een elektron ook een anti-neutrino vrij.
Majorana-deeltjes
Theoretici sluiten niet uit dat twee van die anti-neutrino’s elkaar kunnen opheffen. In dat geval zijn neutrino’s zogeheten Majorana-deeltjes: deeltjes die hun eigen antideeltje zijn.
In de nieuwe studie is geen spoor gevonden van het neutrinoloze dubbel-bètaverval. Dat geeft echter wel een nog scherpere schatting van de waarschijnlijkheid van dat proces. De uitkomst stemt hoopvol, zegt Decowski. “Met onze grotere detector en zeker met nog grotere projecten in de toekomst krijgen we zicht op het neutrinoloze dubbel-bètaverval, als het er is.”
Als kan worden aangetoond dat neutrino’s majoranadeeltjes zijn, hebben theoretici veel meer houvast bij het beschrijven van de neutrino’s in het standaardmodel. Dat zou bijvoorbeeld beter te begrijpen zijn waarom ze vrijwel massaloos zijn en ook waarom bij de oerknal een heelal van materie is ontstaan, en niet van antimaterie.
