CHORUS, een neutrino-weegschaal


In het CHORUS-experiment verrichten we metingen aan de lichtste ongebonden elementaire deeltjes die wij kennen: de neutrino's. Net zoals de elektronen en hun zwaardere evenknieën, de muonen en de tau-deeltjes, behoren neutrino's tot de leptonen. Elektronen zijn, omdat ze lading dragen, gevoelig voor zowel de zwakke kernkracht als de elektromagnetische kracht. Neutrino's daarentegen zijn ongeladen en ondergaan uitsluitend de zwakke kernkracht. Daardoor treden ze nauwelijks in wisselwerking met materie en doorkruisen ongehinderd en in grote getale (zo'n driehonderd per kubieke centimeter) het heelal.



Er zijn drie neutrinotypen: het elektron-, het muon- en het tau-neutrino. Neutrino's ontstaan ondermeer bij kernreakties in het binnenste van sterren, zoals onze zon. Per seconde passeren er 65 miljard zonneneutrino's een aardoppervlakje van een vierkante centimeter; vrijwel allemaal vliegen zij ongehinderd door de aardbol. Het is dus niet eenvoudig metingen aan neutrino's te verrichten: zij laten nauwelijks sporen achter. Om neutrino's te detecteren zijn dan ook grote en zware detectoren nodig.

In het CHORUS-experiment willen we achterhalen of neutrino's, in afwijking van wat lange tijd verondersteld is, een massa hebben. De zware CHORUS-detector fungeert daarbij als de gevoeligste 'neutrino-weegschaal' op aarde. Het 'wegen' gebeurt indirect door het gedrag te bestuderen van hoogenergetische muon-neutrino's die geproduceerd worden met de SPS-versneller op CERN.


De neutrino's leggen zo'n 800 meter af voordat ze de CHORUS-detector bereiken (zie figuur links). Daar passeren ze eerst een zogenaamde veto-teller, die alleen op geladen deeltjes reageert en géén signaal geeft wanneer er een neutrino doorheen vliegt. Als deze teller aanslaat, negeren we de in de detector waargenomen interacties. Vervolgens bereiken de neutrino's een grote hoeveelheid fotografische emulsie (800 kg). Heel af en toe treedt een neutrino in wisselwerking met een atoomkern in deze emulsie en daarbij wordt soms een muon geproduceerd. Een muonspoor in de detector duidt dus op een neutrino-interactie.

In optische vezels, die tussen de sectoren met emulsie zijn aangebracht, kunnen we de muonen detecteren. We selecteren alle potentieel interessante gebeurtenissen met een aantal scintillatoren die uitsluitend signalen afgeven wanneer geladen deeltjes (zoals muonen) passeren. De energie van de geladen deeltjes wordt afgeleid uit de mate waarin ze afbuigen in een magneetveld. Vervolgens worden de meeste geladen deeltjes geabsorbeerd in de lood-calorimeter (110 ton) . Hierachter bevindt zich de muonspectrometer die uit 230 ton gemagnetiseerd ijzer en een aantal dradenkamers bestaat. Alleen muonen zijn in staat al het lood en ijzer te passeren en sporen in deze dradenkamers achter te laten. Die sporen worden met behulp van computers vanaf de muonspectrometer tot aan de emulsie gevolgd. Een computergestuurde microscoop zoekt in de emulsie naar het resterende deel van het spoor.


In CHORUS 'wegen' we neutrino's door te zoeken naar neutrino-oscillaties: spontane overgangen van het ene naar het andere neutrinotype. Die oscillaties kunnen alleen optreden wanneer neutrino's een (geringe) massa hebben en zijn herkenbaar aan een knik in het spoor in de fotografische emulsie (zie figuur 2). Tengevolge van een oscillatie zou een muon-neutrino tijdens zijn vluchtweg naar de detector in een tau-neutrino kunnen overgaan. Bij een eventuele wisselwerking met een atoomkern in de emulsie zou dan een tau-deeltje ontstaan in plaats van een muon. Een tau-deeltje vervalt echter na het afleggen van eentiende tot enkele millimeters in ondermeer een hoogenergetisch muon en daarbij ontstaat een knik in het spoor. Om die knik te kunnen waarnemen, moeten de sporen met enorme precisie gemeten en gereconstrueerd worden.

Het optreden van neutrino-oscillaties zou een oplossing bieden voor een aantal onverklaarde waarnemingen. Zo is het aantal elektron-neutrino's dat ons vanaf de zon bereikt, kleiner dan verwacht. Ook de gemeten verhouding van neutrino-types die door kosmische straling in de dampkring ontstaan, wijkt af van de theoretische voorspelling. Beiden resultaten kun je verklaren met behulp van neutrino-oscillaties. Een kleine neutrino-massa zou bovendien wel eens een verklaring kunnen bieden voor de ontbrekende donkere materie in ons heelal.


Terug naar de index.