Vergeten neutrino veranderde mogelijk hoe materie het won van antimaterie
Natuurkundigen uit Southampton en Kanpur berekenden dat een zwaar neutrino waar bijna niemand naar keek de uitdijing van het jonge heelal kan hebben veranderd. Dat beïnvloedt hoe het overschot aan materie ontstond waar alles uit bestaat. Nieuwe detectoren kunnen delen ervan toetsen.
Alles om ons heen, van sterren tot mensen, bestaat uit materie. Toch weten natuurkundigen nog altijd niet precies waarom er na de oerknal iets overbleef. Rishav Roshan van de University of Southampton en Sudipta Show van het Indian Institute of Technology Kanpur wijzen in het vakblad Physical Review Letters op een deeltje dat in die puzzel bijna altijd werd weggelaten. Hun berekeningen laten zien dat het een grotere rol kan hebben gespeeld dan gedacht.
Het raadsel van de verdwenen antimaterie
Elk deeltje heeft een spiegelbeeld met dezelfde massa maar een tegengestelde lading: antimaterie. Tegenover het negatief geladen elektron staat het positief geladen positron, tegenover het proton het antiproton. Komen een deeltje en zijn antideeltje elkaar tegen, dan verdwijnen ze allebei in een flits energie.
Bij de oerknal ontstonden er volgens de natuurkunde vrijwel even veel materie als antimaterie. Waren die hoeveelheden precies gelijk geweest, dan hadden ze elkaar volledig opgeruimd en was er niets overgebleven om sterren, planeten en mensen van te maken. Er moet dus een klein overschot aan materie zijn ontstaan. Hoe dat ging, is een van de grote open vragen in de natuurkunde.
Zware partners van het neutrino
Een van de populairste verklaringen draait om neutrino's: piepkleine, bijna gewichtloze deeltjes die in enorme aantallen door alles heen vliegen, ook door jou. Veel natuurkundigen denken dat ze extreem zware partners hebben, die alleen vlak na de oerknal rondvlogen. Bij het verval van die partners kan een klein overschot ontstaan bij elektronen en verwante deeltjes, dat later doorwerkt naar alle materie. Die verklaring heet leptogenese.
In de eenvoudigste versie van dat idee zijn er drie zware partners, rechtshandige neutrino's genoemd. Twee daarvan zijn al genoeg om de gemeten eigenschappen van gewone neutrino's te verklaren. De derde heeft bijna geen contact met de rest van de materie en wordt daarom 'ontkoppeld' genoemd. In de meeste berekeningen wordt dat deeltje weggelaten, omdat het toch niets zou doen. Volgens Roshan staat het al heel lang in de vakliteratuur, maar praat er bijna niemand over.
Een tijdelijk zwaargewicht
Juist omdat het ontkoppelde deeltje bijna niets met zijn omgeving doet, vervalt het extreem langzaam. Roshan en Show rekenden uit wat dat betekent. Vlak na de oerknal was het heelal zo heet dat het zware deeltje zich gedroeg als straling, zoals licht. Toen het heelal uitdijde en afkoelde, ging het zich gedragen als gewone materie. Straling verliest bij het uitdijen sneller energie dan materie. Daardoor kon dit ene soort deeltje een tijdlang het grootste deel van de energie in het heelal leveren, en dijde het heelal in die periode anders uit dan in het gangbare beeld.
Dat heeft gevolgen voor de manier waarop het overschot aan materie ontstond. Elektronen en hun zwaardere broertjes, het muon en het tau-deeltje, gaan in het afkoelende heelal op een bepaald moment volop samenwerken met hun omgeving, met hulp van het Higgsdeeltje. Dat moment bepaalt hoe het overschot dat de andere zware partners maken zich verder ontwikkelt. Roshan vergelijkt de temperatuur waarbij dat gebeurt met een schakelaar. Het langzaam vervallende neutrino verschuift die schakelaar naar een later moment. Als het deeltje uiteindelijk toch vervalt, komt er bovendien veel energie vrij die het bestaande overschot deels verdunt.
De onderzoekers stellen dus niet dat dit deeltje in zijn eentje de materie maakte. Ze laten zien dat het de omstandigheden veranderde waarin dat gebeurde, en dat het daarom in toekomstige berekeningen van leptogenese mee moet tellen.
Sporen in zwaartekrachtgolven
Het idee kan in de toekomst worden getoetst met zwaartekrachtgolven: rimpelingen in ruimte en tijd. Detectoren zoals LIGO vangen nu al zulke golven op van botsende zwarte gaten. Een nieuwe generatie instrumenten moet ook de veel zwakkere achtergrond van golven uit de eerste fractie van een seconde na de oerknal kunnen meten. Roshan noemt de radiotelescoop SKA, de Europese ruimtemissie LISA, de Japanse ruimtemissie DECIGO en de Einstein Telescope. Voor die laatste is de grensregio rond Zuid-Limburg kandidaat; de locatiekeuze wordt in 2027 verwacht.
Een periode waarin het heelal anders uitdijde, laat een herkenbare knik achter in die achtergrond van golven. In een vervolgstudie, die nog door vakgenoten moet worden beoordeeld, rekenden Roshan en Show samen met hun Southamptonse collega Stephen King dit verder door. Daaruit blijkt welke varianten de detectoren van de komende decennia kunnen toetsen. Voor een verwante variant, waarin juist het lichtste van de drie partners ontkoppeld is, valt de knik binnen bereik. Voor het zware neutrino uit dit artikel ligt de knik in de meeste gevallen bij hogere frequenties dan de geplande instrumenten kunnen meten. Ook nauwkeurige metingen aan gewone neutrino's helpen bepalen welke versie van het idee overeind blijft.
Volgens Roshan kan een antwoord op de vraag naar het overschot aan materie ons beeld van de geschiedenis van het heelal en van de natuurwetten flink veranderen. Het kan het Standaardmodel van de deeltjesfysica aanscherpen en ook iets leren over donkere materie.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Dit onderzoek laat zien hoe nauw verschillende vakgebieden samenhangen: de eigenschappen van een onzichtbaar deeltje, de uitdijing van het jonge heelal en de golven die detectoren over tientallen jaren moeten opvangen. Zulke verbanden zijn moeilijk te overzien voor één specialist. AI-modellen die kennis van al die vakgebieden tegelijk hebben, kunnen in de toekomst helpen om de enorme hoeveelheid mogelijke varianten van zo'n model door te rekenen en te zien welke ervan echt te toetsen zijn.
Ook de meetinstrumenten zelf worden beter met AI. Google DeepMind ontwikkelde samen met LIGO een AI-methode die de trillingen van de spiegels in een van de lastigste regelsystemen van de detector 30 tot 100 keer beter onderdrukt dan de gangbare techniek. Hoe stiller de detectoren, hoe zwakker de signalen die ze kunnen opvangen. Zo komen theorie en meting steeds dichter bij elkaar, en wordt een van de oudste vragen van de natuurkunde, waarom er iets is in plaats van niets, stap voor stap beter te onderzoeken.
