Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook weer

Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook
weer lekker? Als ik het publiek vraag hoe lang het duurt voor het
licht van de zon op de Aarde aankomt is het antwoord steevast:
zo’n 8 minuten oftewel zo’n 500 seconden. Dat is namelijk wat je
krijgt als je de afstand Aarde-Zon (150 miljoen km) deelt door de
lichtsnelheid (300 duizend km/s). En inderdaad vanaf de rand van
de zon doet het licht er 8 minuten over. Echter: het duurt enkele
100 duizenden jaren voor het licht wat vrijkomt in de kern van de
zon, de rand van de zon bereikt! En dat is maar goed ook want
anders zouden we permanent geröntgend worden. Maar doet de
zon het nu nog wel? Die vraag gaan we nu beantwoorden.
1
Eerst een simpel experiment. Ik schiet pijltje af. En nog een. Wat
valt op? Pijltje komt er steeds met dezelfde snelheid ook. Jullie
zien het niet, maar ik voel het wel: het pistool klapt ook steeds
een beetje terug. Natuuurkundig noemen we dit een tweedeeltjesverval. Het geladen pistool valt uiteen in het
wegschietende pijltje en het terugklappende pistool. Het leuke van
een tweedeeltjesverval is dat de snelheden van de brokstukken
altijd hetzelfde zijn d.w.z. een unieke waarde hebben. Die
natuurlijk per systeem kan verschillen: bij een echt pistool komt
de kogel er veel sneller uit dan bij dit pijltjespistool.
2
Nu een tweedeeltjesverval uit de elementairedeeltjesfysica: het
verval van een neutron. Ja schrik niet: de helft van dat waar u uit
bestaat is instabiel: de neutronen. Gelukkig niet als ze
vastgeklonken zitten in een koolstofkern of zo. Maar wel als ik ze
vrij op tafel legt. Dan ben je na een kwartier de helft kwijt! En wat
heb je dan? Een proton en een elektron zoals in deze animatie?
Dat geloofde men lang. Echter: het elektron heeft lang niet altijd
dezelfde snelheid (en dus energie). Er waren natuurkundigen die
de wet van behoud van energie op de vuilnisbelt wilden gooien.
Gelukkig niet iedereen. Wolfgang Pauli stelde dat er in het verval
naast het zichtbare proton en elektron nog een derde, elektrisch
neutraal en extreem licht deeltje moest zijn. Hij noemde dit een
klein neutron of op zijn Italiaans een neutrino. Dat neutrino zou
vrijwel niet te detecteren zijn maar er wel voor zorgen dat energie
behouden bleef. Zeg maar een boekhoudkundige truc.
3
Waarom is een neutrino zo moeilijk te detecteren? Omdat het
eigenlijk alleen gevoelig is voor de zogenaamde zwakke
kernkracht. En die is zoals zijn naam al zegt echt heel zwak en
heel veel zwakker dan de b.v. de elektrische kracht of de sterke
kernkracht.
Om een idee te geven: een typisch neutrino vliegt rustig door een
kolom water van 1000 lichtjaar lang. Is dat veel? Ja heel veel:
namelijk tien miljard miljard meter. Een 1 met 19 nullen meter.
Kortom als je een neutrino wilt detecteren moet je:
- Of een hele grote detector bouwen;
- Of heel lang wachten;
- Of zorgen dat je naar heel veel neutrino’s tegelijk kijkt!
4
Frederick Reines was zo’n natuurkundige die als eerste een
neutrino wilde detecteren. In de oorlog had hij gewerkt aan de
ontwikkeling van de atoombom. Bij zo’n atoomexplosie komen
o.a. ontzettend veel neutrino’s vrij. Reines dacht: ik plaats een
detector vlakbij zo’n explosie. Enige probleem was dat zijn
detector weggeblazen zou worden. Daar had hij een ingenieuze
oplossing voor. De detector zou op het moment van de klap in een
diepe schacht vallen en meten tijdens de val.
5
Uiteindelijk vond hij dit toch te gecompliceerd en deed hij zijn
meting bij een vriendelijkere bron van veel neutrino’s: een
kerncentrale. En daar detecteerde hij in 1956, ruim een ¼ eeuw
na de neutrino hypothese van Pauli voor het eerst een neutrino!
6
Sindsdien hebben we een aantal eigenschappen van het neutrino
geleerd. Allereerst hebben net zoals het elektron spin. Echter
terwijl een elektron of linksom of rechtsom spint; spint het
neutrino alleen linksom (en het anti-neutrino alleen rechtsom)!
Dat is ontzettend vreemd. Het betekent tevens dat het
spiegelbeeld van een neutrino niet bestaat! (spiegel + tol)
Verder hebben we ontdekt dat er meerdere soorten neutrino’s
zijn. Pauli’s neutrino is gelieerd aan het elektron en heet daarom
het elektron-neutrino. Ook het muon deeltje heeft zijn neutrino:
het muon-neutrino. En ook het tau deeltje: het tau-neutrino.
Iets wat we nog steeds niet weten zijn de exacte massa’s van
deze neutrino’s. We weten alleen dat ze extreem licht zijn.
7
En nu terug naar de zon. De zon schijnt omdat hij massa omzet in
energie via E=mc2. Zeg maar: Einstein at work! Vier protonen
d.w.z. waterstofkernen worden omgezet in twee protonen en twee
neutronen oftewel een helium kern. Het op één na lichtste
element. Een helium kern is net wat lichter dan de vier
waterstofkernen. De zon kan met zijn waterstofvoorraad zo’n 10
miljard jaar vooruit. Daarna gebeuren er akelige dingen.
In die reacties in de zon komen naast energie ook twee elektron
neutrino’s vrij. Omdat we exact kunnen meten hoeveel energie de
zon uitstraalt, kunnen we ook exact voorspellen hoeveel
neutrino’s de zon moet uitstralen.
8
Dat is aftelezen in deze illustratie. Voor de zojuist beschreven
reactie betekent dat dat er ieder seconde door het topje van je
vinger 63 miljard neutrino’s blazen. 63 miljard! En niet alleen
overdag, maar ook s’nachts. Die neutrino’s blazen namelijk ook
moeiteloos door de hele Aarde heen! In de zon vinden ook nog
een aantal complexere reacties plaats die ook neutrino’s
genereren. Dat zijn de andere rode lijnen in de illustratie.
Als goed experimenteel natuurkundige wil je die neutrino’s van de
zon graag meten.
9
Ik ga het hebben over dit experiment: een cilinder gevuld met 50
miljoen liter water. De wand is volgeplakt met zo’n 13 duizend
licht detectoren zoals deze ene hier. Dit geheel bevindt zich een
kilometer diep onder de grond ergens in Japan. In dat rubberen
bootje zitten Japanse technici die bezig zijn al die licht detectoren
schoon te poetsen terwijl de cilinder langzaam gevuld wordt met
water.
Het is dit experiment, het KAMIOKANDE experiment, waarmee
neutrino’s komend vanuit de zon goed gemeten worden.
10
Dit werkt als volgt: heel af en toe interageert een neutrino van de
zon in de watertank. Het elektron-neutrino verandert dan in een
gewoon elektron. Dat elektron beweegt met hoge snelheid in de
watertank. En net zoals een supersoon vliegtuig een knal geeft
zodra hij door de geluidsbarrière gaat; geeft een elektron licht als
het sneller gaat dan de lichtsnelheid. Wacht even: dat kan toch
niet? Jawel hoor want in water is de snelheid van licht slechts 2/3
van de lichtsnelheid in vacuüm. En zelfs Einstein weerhoudt een
elektron er niet van sneller te bewegen dan dat.
In deze animatie ziet u het licht zoals het elektron dat uitstraalt.
Als u de kans krijgt moet u eens gaan kijken bij de kerncentrale in
Petten: daar kunt u dit zelf aanschouwen: een blauwe gloed.
11
Experimenten om neutrino’s te meten staan op verschillende
plaatsen op Aarde. Zonder uitzondering zijn ze allemaal
megalomaan. Zo is op de Zuidpool een kubieke kilometer ijs
voorzien van detectoren om neutrino interacties te registreren. Op
de bodem van de Middellandse Zee staat een vergelijkbare
detector. Daar ga ik het niet over hebben.
12
Tenslotte: nog even het belang neutrino’s in prille universum: toen het
heet was bleven neutronen en protonen in balans door al die botsingen
met neutrino’s. Terwijl het universum afkoelde werd de energie van de
neutrino’s steeds minder. Op een gegeven moment onvoldoende om
van een proton het zwaardere neutron te maken. D.w.z. er werden
geen nieuwe neutronen meer gemaakt. Terwijl de neutronen lekker
bleven verdwijnen (vervallen). Als dat lang door zou gaan dan houd je
alleen protonen over. Protonen zijn waterstof kernen. Dus dan bestaat
het hele Universum alleen uit waterstof. Nou dat is voor 75% waar. De
rest is helium: het op één na lichtste element.
Dat er naast waterstof zo’n 25% helium is komt omdat terwijl de
neutronen vervallen het universum verder afkoelt. En opeens is het
universum zo koel dat de neutronen die er dan nog zijn gaan
klonteren tot bijvoorbeeld helium kernen. En dan zijn de neutronen
lekker opgesloten en vervallen dus niet meer!
En onze Aarde en wij? Wij bestaan niet uit waterstof en helium maar
uit een hele serie zwaardere elementen. Waar komen die vandaan? Uit
zo’n supernova die ik net liet zien. In die zin zijn we niets anders dan
het afvalproduct van een ster!
13
En hierbij dan het complete plaatje voor de materie deeltjes in
ons universum! Althans voor zover we het nu weten.
14
En:
Doet onze zon het morgen nog?
Ja, want gisteren hebben we nog 200 neutrino’s vanuit de zon
gemeten. En in tegenstelling tot dat licht zippen die neutrino’s wel
met de lichtsnelheid vanuit de kern naar de Aarde!
15
En andere verrassing gebeurde in 1987. In dat jaar ontplofte dit
miezerige sterretje!
16
En zagen de sterrenkundige opeens dit. Dit heet een supernova.
Als dat gebeurt veranderen opeens alle protonen in de kern van
de ster in neutronen. D.w.z. de ster wordt een neutronen ster. Bij
elk proton wat een neutron wordt komt een neutrino vrij.
Kortom: een supernova straalt een gigantische hoeveelheid
neutrino’s uit. In 1987 hebben we er zo’n 10 gemeten! Een unieke
gebeurtenissen. U bent vast niet onder de indruk. Ik wel.
17