Antineutrino: het bijna onzichtbare deeltje dat kernreactoren verraadt
Een antineutrino is het antideeltje van het neutrino, een van de lichtste en meest ongrijpbare deeltjes die we kennen. Antineutrino's ontstaan voortdurend om ons heen: in de zon, in de aardkorst en vooral in kernreactoren, waar radioactieve splijtingsproducten vervallen. Ze hebben geen elektrische lading, nauwelijks massa, en gaan dwars door vrijwel alles heen zonder ergens tegenaan te botsen. Op dit moment razen er miljarden antineutrino's per seconde door uw lichaam, zonder dat u er iets van merkt.
Juist die onzichtbaarheid maakt antineutrino's bijzonder nuttig. Omdat een kernreactor er voortdurend enorme hoeveelheden van uitzendt, en de eigenschappen van die straal veranderen naarmate de splijtstof "opbrandt", kunnen wetenschappers met een gevoelige detector op afstand iets zeggen over wat er binnen in een reactor gebeurt. Dat maakt antineutrino's interessant voor natuurkundig fundamenteel onderzoek, maar ook voor praktische toepassingen zoals het controleren of een land zich aan afspraken over kernwapens houdt.
Wat is het precies?
Het verhaal begint in 1930, toen de Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli een probleem probeerde op te lossen. Bij een vorm van radioactief verval, bèta-verval genoemd, verandert een neutron in een proton en komt er een elektron vrij. Maar de energie en beweging (impuls) van dat elektron klopten niet met wat de behoudswetten voorspelden: er leek energie te verdwijnen. Pauli opperde dat er een onzichtbaar, bijna massaloos deeltje meevloog dat de "missende" energie meenam. Enrico Fermi noemde dit deeltje later het neutrino, Italiaans voor "kleine neutrale".
Bij het type bèta-verval dat in kernreactoren plaatsvindt, ontstaat niet het neutrino zelf maar zijn antideeltje: het elektron-antineutrino. Net zoals er van gewone materie ook antimaterie bestaat (bijvoorbeeld het positron als antideeltje van het elektron), heeft ook het neutrino een antideeltje-tegenhanger. Er bestaan drie "smaken" van neutrino's en antineutrino's, gekoppeld aan de drie bekende soorten geladen leptonen: elektron, muon en tau.
Antineutrino's aantonen is lastig, juist omdat ze zo zelden interactie aangaan met materie. De eerste detectie lukte pas in 1956, toen de Amerikaanse natuurkundigen Clyde Cowan en Frederick Reines bij de Savannah River-kernreactor in de Verenigde Staten een slimme truc gebruikten: een antineutrino kan af en toe botsen met een proton, waarbij een neutron en een positron ontstaan (inverse bètaverval). Het positron botst vrijwel meteen met een elektron en beide vernietigen elkaar onder uitzending van gammastraling; het neutron wordt kort daarna door een ander atoom opgevangen, wat weer een tweede, vertraagd lichtsignaal geeft. Die combinatie van twee signalen kort na elkaar is het "visitekaartje" van een antineutrino. Reines ontving hiervoor in 1995 de Nobelprijs (Cowan was toen al overleden).
Eind jaren negentig volgde een tweede doorbraak: de Japanse detector Super-Kamiokande liet zien dat neutrino's tijdens hun reis van "smaak" kunnen veranderen, een verschijnsel dat neutrino-oscillatie heet. Dat kan alleen als neutrino's (en dus antineutrino's) een heel klein beetje massa hebben, iets wat het oorspronkelijke standaardmodel van de deeltjesfysica niet voorzag. Sindsdien is een belangrijke openstaande vraag of het neutrino werkelijk anders is dan het antineutrino, of dat het in feite zijn eigen antideeltje is (een zogeheten Majorana-deeltje). Dat wordt onderzocht via een uiterst zeldzaam, nog nooit waargenomen proces genaamd neutrinoloos dubbel bètaverval.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar antineutrino's dient meerdere doelen tegelijk. Ten eerste is er de fundamentele natuurkunde: door de eigenschappen van neutrino's en antineutrino's nauwkeurig te meten, hopen wetenschappers te bepalen in welke volgorde de drie neutrinomassa's liggen (de "massa-ordening"), en of er een verschil in gedrag bestaat tussen neutrino's en antineutrino's. Zo'n verschil, CP-schending genoemd, zou kunnen helpen verklaren waarom het heelal na de oerknal grotendeels uit materie bestaat en nauwelijks uit antimaterie, een van de grote open vragen in de kosmologie.
Ten tweede is er een heel praktische toepassing: nucleaire veiligheidswaarborgen (safeguards). Omdat de antineutrino-straal van een reactor verandert met de hoeveelheid plutonium die tijdens bedrijf ontstaat, kan een detector die buiten het hek van een kerncentrale staat, in principe zien of een reactor aan- of uitstaat, en ruwweg hoeveel plutonium er wordt geproduceerd, zonder dat inspecteurs de installatie hoeven te betreden. Dat is aantrekkelijk voor internationale controle op verdragen tegen verspreiding van kernwapens, bijvoorbeeld door het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA).
Ten derde bestuderen aardwetenschappers zogeheten geoneutrino's: antineutrino's die vrijkomen bij het radioactief verval van uranium, thorium en kalium diep in de aarde. Door die te meten, kunnen onderzoekers schatten hoeveel van de warmte die de aarde van binnenuit produceert, afkomstig is van radioactiviteit, wat weer iets zegt over de samenstelling van de aardmantel.
Voorbeelden uit de praktijk
Cowan-Reines-experiment (1956) bij de Savannah River-kernreactor, Verenigde Staten: de allereerste, baanbrekende detectie van het antineutrino.
KamLAND (Japan, sinds 2002): een ondergrondse detector die antineutrino's van Japanse kerncentrales op tientallen kilometers afstand opving en daarmee neutrino-oscillatie bevestigde. KamLAND meet ook geoneutrino's uit de aarde.
Daya Bay Reactor Neutrino Experiment (China, metingen vanaf 2011): een samenwerking met detectoren dicht bij en verder van een groep kernreactoren nabij Hongkong, die in 2012 voor het eerst nauwkeurig de zogeheten theta13-mengingshoek mat, een belangrijke bouwsteen van de neutrino-oscillatietheorie. Vergelijkbaar werk werd gedaan door Double Chooz in Frankrijk en RENO in Zuid-Korea, beide eveneens vanaf 2011.
PROSPECT (Verenigde Staten, vanaf 2018): een compacte detector vlak bij een onderzoeksreactor van het Oak Ridge National Laboratory, gebouwd om te zoeken naar een hypothetisch "steriel" vierde type neutrino via metingen op korte afstand.
WATCHMAN-project (Boulby Underground Laboratory, Verenigd Koninkrijk): een Brits-Amerikaanse samenwerking die met een watertank vol gadolinium-oplossing wil aantonen dat een kernreactor op tientallen kilometers afstand via zijn antineutrino-uitstoot te detecteren is, met het oog op toekomstige verdragscontrole.
Hoe ver is de techniek?
Sinds de eerste meting in 1956 is antineutrino-detectie flink volwassen geworden: detectoren zijn groter, gevoeliger en beter afgeschermd tegen storende achtergrondstraling. Toch blijft het lastig, omdat antineutrino's zo weinig met materie reageren. Om er genoeg te vangen, zijn detectoren nodig met tot honderden of duizenden tonnen vloeistof, vaak diep ondergronds of dicht bij een sterke bron zoals een reactor, om kosmische straling zoveel mogelijk buiten te sluiten.
Voor de fundamentele fysica lopen er grote nieuwe experimenten. De Chinese detector JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), waarvan de bouw in 2015 begon, moet met antineutrino's van twee kerncentrales op zo'n vijftig kilometer afstand de massa-ordening van neutrino's helpen vaststellen. Het project heeft, zoals vaker bij dit soort grote ondergrondse experimenten, te maken gehad met vertragingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning; de eerste wetenschappelijke metingen worden in de tweede helft van dit decennium verwacht. De vraag of het neutrino zijn eigen antideeltje is, staat evenmin vast: experimenten als GERDA en KamLAND-Zen hebben de gevoeligheid steeds verder opgevoerd, maar het gezochte neutrinoloze dubbele bètaverval is tot nu toe niet waargenomen.
Voor de toepassing bij nucleaire veiligheidswaarborgen geldt: het principe is bewezen op korte afstand (enkele tientallen tot honderden meters van een reactor), maar betrouwbare detectie op de afstanden die voor praktische verdragscontrole nodig zijn, tientallen kilometers, is nog experimenteel. Projecten als WATCHMAN moeten dat de komende jaren aantonen. Antineutrino-detectie is dus nog geen routinematig inspectie-instrument, eerder een veelbelovende onderzoekslijn.
Wie werken eraan?
China speelt een grote rol via het Institute of High Energy Physics (IHEP), dat zowel het Daya Bay-experiment als het huidige JUNO-project leidt. Japan bracht met KamLAND, uitgevoerd door onder meer Tohoku University, belangrijke doorbraken. In de Verenigde Staten zijn nationale laboratoria van het Department of Energy actief, waaronder Oak Ridge National Laboratory (PROSPECT) en Lawrence Livermore National Laboratory, vaak in samenwerking met universiteiten. Het Verenigd Koninkrijk draagt bij via het Boulby Underground Laboratory en onderzoeksfinancier STFC, onder meer aan WATCHMAN. Frankrijk is betrokken via het CEA (Commissariat à l'énergie atomique), dat achter experimenten als Double Chooz zit, en Zuid-Korea via de RENO-samenwerking. Internationaal volgt het IAEA de ontwikkelingen op het gebied van antineutrino-detectie nauwlettend vanwege de mogelijke toepassing bij nucleaire veiligheidswaarborgen.