1. NEUTRINO’S
Sneller dan het licht ?
Of toch niet?
C. de Jager

2. Om bang van te worden?
• Per seconde vliegen ca. 65 miljard neutrino’s
door een vierkante cm – ze zijn afkomstig van
de zon, de oerknal en van andere sterren
• De vrije weglengte is ongeveer 3 lichtjaren lood
• Dit is een laag lood van ca. 25 biljoen km dik
• Het begrip ‘vrije weglengte’ betekent dat de
kans om die laag lood ongehinderd te kunnen
doorlopen, ca. 50% is.

3. Kleine kernreactoren
• Een gemiddeld mens heeft een oppervlak van
ca. 3500 vierkante cm
• Door ons lichaam vliegen dus ca. 200 biljoen
neutrino’s per seconde afkomstig van de zon
• Per tien dagen wordt er eentje gevangen en dat
leidt tot een kernreactie – we zijn dan even een
kernreactor!
• Wat is een neutrino en hoe is het ontdekt?

4. Eerst iets over elementaire deeltjes
• Elementaire deeltjes: de allerkleinste
bouwstenen van de natuur
• Een neutrino is zo’n elementair deeltje
• We kennen meer dan een dozijn
elementaire deeltjes
• We geven van enkele daarvan de massa,
de elektrische lading en de spin
(tolsnelheid)

5. Belangrijkste elementaire deeltjes
• Proton: kern van waterstofatoom. Massa 1 (= 1,66 10-24
gram); elektrische lading 1; spin ½ (drie afgesproken
eenheidsmaten)
• Neutron: Massa 1,0014; lading 0; spin ½
• Elektron: Massa 0,0005; lading -1; spin ½
• Als een proton met een elektron versmelt dan ontstaat
een deeltje met iets grotere massa, lading nul en spin
½, het neutron
• (Maar … klopt dit wel ?? )

6. Behoudswetten bij natuurkundige processen
• Behoud van energie
• Behoud van impuls (hoeveelheid beweging =
massa maal snelheid)
• Behoud van totaal draaimoment (spin)
• Deze wetten gelden overal in de natuur
• Bij botsingen, gevolgd door vernietiging of
versmelting van deeltjes moeten deze wetten
alle strikt gehoorzaamd worden.

7. Terug naar proton plus elektron
• Als een proton met een elektron versmelt
dan zou een deeltje ontstaan met massa
1+ 0,0005 = 1,0005
• En lading (-1) + (+1) = 0
• En spin ½ + ½ = 1 of ½ ̶ ½ = 0
• Maar het neutron heeft 1,0014, 0 en ½
• Hier klopt iets niet; vooral die spin !

8. Hoe kwamen we daar achter?
Het beslissende experiment
• Sommige radioactieve elementen zenden bij hun
verval elektronen uit doordat in een atoomkern
een neutron overgaat in een proton
• Het uitgezonden elektron moet het
energieverschil meenemen, maar dat blijkt niet
exact zo te zijn; dit geldt ook voor de spin
• Waar is die energie gebleven? En die spin?
• 1931: Wolfgang Pauli’s “desperate remedie”:
een nieuw en onzichtbaar deeltje zonder lading
en met spin ½ neemt die energie mee. Hij
noemde dit neutron

9. 1934: heel klein deeltje
• 1933 werd het echte neutron ontdekt
(Chadwick). Bijna dezelfde massa als proton.
• 1934: Fermi postuleerde dat in het bètaverval
sprake moest zijn van een deeltje met veel
geringer massa, geen lading en spin ½
• Hij noemde dat het kleine neutron - neutrino
• Het neutrino zou veel minder massa hebben dan
het elektron of zelfs helemaal geen massa? Dit
laatste was een halve eeuw een groot probleem

10. Enorm doordringend vermogen van het
neutrino
• Geen elektrische lading: dus geen wisselwerking
met andere geladen deeltjes zoals de kernen
van atomen of hun elektronen
• Geen (?) massa: idem
• Een neutrino heeft een ‘vrije weglengte’
equivalent aan enkele lichtjaren lood!
• Vraag: is het toch wel waarneembaar?? JA!
• Wel te detecteren, maar met heel veel moeite

11. En de massa – hoe zit dat?

12. Het anti-elektron
• Een proton dat met een elektron versmelt
gaat over in een neutron en een neutrino
p + e- = n + v
• Maar een proton dat spontaan zou
overgaan in een neutron produceert dan
een neutrino en een positief geladen
elektron, een ‘anti-elektron’
• Het anti-elektron heet positron

13. Het anti-neutrino
• Een proton kan overgaan in neutron plus positief
elektron (= positron) plus neutrino:
• p → n + e+ + ν , dus ook: n +ν → p + e–
• Ook: neutron vervalt in proton plus (negatief) elektron
plus antineutrino:
• n → p + e– + ν’ , ook: p + ν’ → n + e+ , enz.
• Er zijn dus twee soorten neutrino’s ! Beide hebben geen
elektrische lading en zeer geringe massa. Men noemt
deze twee soorten elektronneutrino’s. Hoe die te
ontdekken?

14. Ontdekking
Experimenteel werd het neutrino
ontdekt in 1956

15. 1956: Reines en Cowan ontdekken
neutrino bij kernreactor

16. Savanna River kernreactor
• Metingen in kelder, 11 m van reactor en 12 m
ondergronds; daar verwacht men 1013 antineutrino's per
cm2 en seconde
• Vat met geschikte vloeistof, vnl. water (elk
watermolecuul bevat 10 protonen en 10 elektronen)
• Antineutrino + proton → neutron + positron
• Dit positron annihileert (‘versmelt’) heel snel met een
elektron. Geeft gammastraling flits die gemeten werd
met fotomultipliers
• Deze flitsen zijn de aanwijzing voor het bestaan van het
neutrino

17. Zijstapje: het mu-meson
(muon)
• Het muon is een van de vele elementaire
deeltjes
• Massa is 207 maal die van het elektron
• Spin ½
• Lading is als van het elektron, dus – 1
• We noemen dit wel: het zware elektron
• De leeftijd: 2,19 miljoenste seconde; daarna is
het vervallen

18. 1962: het mu-neutrino ontdekt
• Muonen ontstaan uit kosmische straling door
kernreacties in de hoge atmosfeer (15 – 30 km)
• [Vraagje: hoe kunnen ze de grond bereiken gezien de
korte levensduur? Antw.: ja, want in een zeer snel
voortvliegend object treedt tijdvertraging op]
• Dit zware elektron ontstaat bij soortgelijke reacties als
het gewone en verschijnt tegelijk met een
• mu-neutrino: analoog aan elektron-neutrino
• Ook bestaat anti-muneutrino

19. Het derde neutrinopaar
• Tauneutrino en anti-tauneutrino
• Analoog aan elektron- en mu-neutrino, maar
deze behoren bij het tau-lepton
• Tau-lepton: ontdekt 1977; lading en spin als
elektron; massa 3500 × die van elektron, dus
bijna 2 maal die van proton of neutron.
Instabiel; leeftijd 3×10-13 seconde
• In 2000 werd eerste tau-neutrino waargenomen

20. De zon
Krachtige bron van neutrino’s

21. Neutrino’s ontstaan bij kernfusie
4 protonen verenigen zich stapsgewijs tot: een
heliumkern + twee positronen + twee elektronneutrino’s
en veel straling. De positronen annihileren – geeft ook wat
straling

22. Enorme neutrinostroom van zon
• Per seconde en per cm2 komen op aarde
6,5×1010 (elektron)-neutrino’s
• Ontdekt met experiment van Davies en Bahcall
(1967 en daarna); hoe ging dat in zijn werk:
• Versmelt in botsing met chloor atoom
• Daaruit ontstaat radioactief 37Ar
• Het vervalt in 35 dagen; daarbij wordt flitsje van
röntgenstraling uitgezonden. Dit is te meten

23. Bahcall en Davies in 1995

24. Metingen in een diepe mijn
• Kosmische straling bestaat uit elektrisch geladen deeltjes
afkomstig uit het heelal, die met grote snelheid de aarde
bombarderen
• Ze produceert veel storende straling en deeltjes; die willen
we kwijt want deze deeltjes storen de metingen
• Ze dringen niet diep in aarde door
• Om neutrino’s te meten gaan we dus naar de (verlaten)
Homestake goudmijn, South Dakota
• Dit was de eerste ondergrondse telescoop!

25. Experiment in de Homestake mijn.
378.000 liter perchloorethyleen (C2Cl4)
• Ze maten 15 radioactieve
argon atomen per maand
• het gaat dus om het
meten van 15 minuscule
lichtflitsjes per maand
• (Davies boven op tank)

26. Probleem opgelost?
Nee, toen begon het pas goed !

27. Onverwacht resultaat
• De gemeten neutrino flux was slechts 36% van
wat we van de zon verwachten
• Inwendige structuur van de zon is echter heel
goed bekend en zonnestraling is gecorreleerd
met te verwachten stroom neutrino’s
• Ontbrekende neutrino’s: gedurende 40 jaar was
dit een hoofdbrekend probleem!
• WAAR ZIJN DIE NEUTRINO’S GEBLEVEN?
• Opnieuw drieste onderstelling: die zijn
onderweg in iets anders overgegaan

28. Neutrino oscillaties
• De vergelijking van Schrödinger bepaalt het karakter van
de golf die bij een deeltje hoort
• Bij neutrino’s blijkt die golf twee deeltjes te beschrijven,
met verschillende massa’s
• Tijdelijk overheerst het ene deeltje, dan weer het andere
• Als (bijvoorbeeld) een mu-neutrino lang genoeg reist
kan hij het karakter van een tau-neutrino krijgen en dan
weer mu-neutrino, enz
• We noemen dit neutrino-oscillaties
• In stappen ontdekt

29. Russen en Italianen vermoedden al iets
• Neutrino detectoren SAGE (Kaukasus,
Rusland) en Gallex/GNO (Italië) maten
neutrino’s afkomstig van nabije
kernreactoren (jaren ’80)
• Resultaat: minder elektron-neutrino's
gemeten dan er zouden moeten zijn. Als
bij de zon! Wel zagen ze onverwachte mu-
neutrino’s. Waarvandaan?

30. Bevestigd door metingen in SuperKamiokande
(mijn in Japanse Alpen; 700 meter diep)

31. SuperKamiokande bevat 50 miljoen
liter zuiver water. Wand met 11146
fotomultiplicatoren

32. Details wand met fotocellen

33. Andere detailopname van wand

34. Hoe meten we? neutrinovangst
produceert elektron of muon
• (Immers: n + ν → p + e– ; idem p + ν …)
• Geladen deeltje van grote energie (elektron)
loopt bijna met lichtsnelheid door het water
• Daar is de lichtsnelheid echter slechts ca. 0,75
van die in vacuüm (ca. 220.000 km/s)
• Het geladen deeltje loopt dus sneller dan het
licht ter plaatse loopt
• Produceert zo Čerenkov straling; hoe gaat dat?

35. Hoe ontstaat Čerenkov straling
golffronten van een bewegende lichtbron
a: lichtsnelheid, b: sneller dan licht

36. Hoe ontstaat Čerenkov straling
er zijn dus twee golffronten

37. Hoe ontstaat Čerenkov straling
de Čerenkov cirkel
• Fotocellen registeren een
kring van licht
• Vorm van de kring
bepaalt de looprichting
• Verschil in snelheid
bepaalt het patroon van
straling van elektronen en
aard van muonen

38. De metingen bevestigen:
De zon straalt de verwachte
hoeveelheid neutrino’s uit, maar
onderweg verandert de soort

39. Zon in neutrinostraling gezien
• Ook richting van
herkomst is zo te
bepalen
• Afbeelding: zon in
neutrinostraling
(Kamiokande)
• Belichtingstijd 1500
dagen

40. Een ander bewijs van neutrino-oscillaties
• SuperKamiokande onderzocht 4700 kosmische straling-
neutrino’s die uit de atmosfeer kwamen – dus van boven
• Het waren mu-neutrino’s (afgelegde weg: ca. 20 km)
• Van onderen, dus door de aarde komend, zien we echter
twee maal minder mu-neutrino’s.
• Gemengd met andere (elektron?)-neutrino’s
• Dit is gevolg van de langere weg afgelegd (ca. 12000
km); bij neutrino-oscillaties gaat de ene soort over in de
andere

41. Massa van het neutrino
• Neutrino oscillaties zijn alleen mogelijk wanneer
de twee soorten neutrino’s verschillende massa’s
hebben
• Dus: het neutrino heeft massa! Zo werden twee
oude problemen tegelijk opgelost: dat van de
zon en het massaprobleem
• Direct resultaat: het verschil tussen de massa
van elektron- en mu-neutrino
• Neutrinomassa is ongeveer een tien-miljoenste
deel van die van het elektron

42. Recente massawaarden
Massa wordt in energiemaat (elektronVolt) gegeven - E = mc2
• Elektron: 511.000 eV = 9,1×10-28 gram
• ………………………………………………………
• Tau-neutrino: 0,05 eV, dus ca. 10-34 g
• Mu-neutrino: 0,005 eV, dus 10-35 g
• Elektron neutrino: 0,000 01 eV (?)
• Deze getallen zijn nog wat onzeker!

43. En nu: neutrino’s die sneller
lopen dan de lichtsnelheid in
vacuüm
Maar dat is toch onmogelijk?
(volgens Einstein)

44. Maar waarom dan wel onmogelijk?
• Experimenteel vastgesteld: licht beweegt
in vacuüm altijd met zelfde snelheid (c)
• Dat is onafhankelijk van de snelheid van
de bron! Lichtsnelheid in vacuüm is
invariant
• Lichtsnelheid c = 299792458 meter/sec
• Hieruit leidt men een formule af voor de
energie E van een deeltje met rustmassa
m0 en snelheid v

45. Snelheid, energie en massa
• Deeltjes hebben energie nodig om snelheid van
bewegen te krijgen
• Hoe dichter bij de lichtsnelheid, des te groter de
benodigde energie, want de deeltjes worden
zwaarder bij toenemende snelheid
• Om met lichtsnelheid te kunnen lopen is zelfs
oneindig veel energie nodig
• Daarom kan niets sneller dan het licht gaan

46. Niets gaat sneller dan het licht
in vacuüm
• Des te sneller het deeltje, des te groter de
massa wordt
• Als het deeltje sneller dan het licht zou gaan dan
wordt massa onbestaanbaar (imaginair)
• Kan dat?
• Deeltje met imaginaire massa wordt tachyon
genoemd
• Maar bestaan die wel???

47. Van CERN naar Gran Sasso
• In CERN (Geneve, Zwitserland) werden
neutrino’s weggeschoten in de richting
van de Italiaanse Apenijnen
• Van elke miljard uitgezonden neutrino’s
werd er een opgevangen in een mijn in
Gran Sasso (Italiaanse Apennijnen)
• Dit gebeurde in het daar reeds bestaande
neutrino observatorium, dat OPERA heet

48. De metingen
Afstand CERN –Gran Sasso 730 km

49. Wat er werd gemeten
• Eerste reeks metingen in
september 2011
• Verbeterd in november 2011
• Diagram toont verschil t.o.v. de
tijd die met exacte lichtsnelheid
zou zijn bereikt
• Ze kwamen te vroeg aan!
• Gemiddeld 62,1 nanoseconde -
dit is 18,6 meter
• Onzekerheid is ± 1,1 meter

50. Gemeten langs een ingewikkeld traject
• Bundel protonen botst op grafiet
• Geproduceerde deeltjes worden magnetisch
geleid en botsen opnieuw; maken neutrino's
• Deze vliegen richting Gran Sasso
• Daar gedetecteerd; signaal wordt door kabels en
door een 1,5 km lange glasvezel naar detector
gevoerd.
• Klokken gesynchroniseerd via GPS; afstand ook
accuraat gemeten; nauwkeurigheid ca. 20 cm

51. De metingen – ingewikkeld genoeg!

52. Twijfel: er is geen Čerenkov
straling waargenomen
hoewel dat wel zou moeten (sneller
dan het licht)
Is er misschien toch iets fout gegaan?

53. Veel vruchteloze verklaringen
• Is een neutrino een tachyon? Nee toch?
• De kabels zijn ergens toch 18 meter korter
dan men gedacht heeft. Maar ze zijn toch
goed nagemeten? (Dit is niet het moeilijkste deel
van het verhaal)
• De relativiteitstheorie is fout – maar die is
toch al duizenden malen getest?
• En andere onduidelijke verklaringen …

54. Efficiënte controle: maak de
afstand groter,
bijvoorbeeld 160 000 lichtjaren
Dat maakt de metingen zoveel
eenvoudiger en vooral duidelijker!

55. Supernova in Grote Magellaanse
Wolk: SN1987A

56. SN1987A. Rechts: vóór de explosie

57. Supernova: geboorte van een
neutronenster
• Als een zware ster ineenstort zullen in de
kern elektronen fuseren (versmelten) met
de protonen; het worden neutronen
• Daarbij worden enorm veel neutrino’s
gevormd
• [Deze nemen niet minder dan 99% van de explosie
energie mee het heelal in
• Wat we zien van de explosie is dus maar één procent
van de explosie energie!]

58. 10 neutrino’s uit supernova 1987A. Arriveerden drie uur
vóór de zichtbare explosie! Maar dat is te verklaren

59. Die neutrino’s waren wel op tijd
• Indien ze met dezelfde snelheid waren
gevlogen als die van het CERN-Gran Sasso
experiment dan zouden ze drie jaar eerder
moeten zijn aangekomen
• Ze hadden wel duizend maal geringere
energie dan die van CERN-Gran Sasso
• Maar dat verschil kan niet de verklaring
zijn geweest

60. De verklaring (voorjaar 2012)
Er blijkt toch een technische fout te
zijn gemaakt bij het meten van de
tijdstippen met het klokkensysteem

61. De vermoedelijk voornaamste fout
• Het GPS signaal van de satelliet wordt
bovengronds opgevangen, zowel in Geneve als
in Gran Sasso
• Het wordt in Gran Sasso door een ruim 8 km
lange kabel naar het ondergrondse station
gevoerd
• Een slecht contact in die kabel vertraagt het
overbrengen iets – het gaat hier dan ook om
zeer kleine afwijkingen.

62. Twee mogelijke fouten
• Eerste fout: een vertraging in de GPS verbinding
tussen de klokken in CERN en in Gran Sasso
(OPERA) – een slecht contact stoort de
tijdmeting
• Interne oscillaties in het kloksysteem in Gran
Sasso zouden de gemeten tijd langer maken
• De effecten van deze twee mogelijke fouten
moeten nog nader bestudeerd en tegen elkaar
afgewogen worden

63. Schematisch: de meetfouten

64. Wat moeten we hiervan denken?
• Stellig een te snelle publicatie; foei!
• Een vraag blijft: als neutrino’s massa hebben
dan kunnen ze niet met lichtsnelheid lopen –
heeft het daarom zin de metingen te herhalen?
• Neen, niet daarom, want door de uiterst geringe
massa bedraagt het verschil met de lichtsnelheid
minder dan een miljardste deel van een procent;
vrijwel onmeetbaar klein

65. NEUTRINO’S
Raadselachtige objecten
Deeltje en golf
Neutrino oscillaties