Jacht op het majoranadeeltje

Ver onder de grond begint dit jaar in Amerika een nieuwe zoektocht naar het majoranadeeltje. In een nog te bouwen detector hopen fysici neutrino’s te dwingen hun verborgen majoranagedrag te tonen.

De jacht op het mysterieuze majoranadeeltje is geopend. Hoewel de Italiaanse fysicus Ettore Majorana de eigenschappen van dit deeltje al in 1937 voorspelde, is nog altijd niemand erin geslaagd een elementair deeltje te vinden dat aan die eigenschappen voldoet. Daarom begint dit jaar diep onder de grond in het Amerikaanse South Dakota een nieuwe klopjacht. Fysici proberen daar neutrino’s zover te krijgen dat zij het gedrag gaan vertonen dat bewijst dat deze deeltjes in feite majoranadeeltjes zijn.

De belangrijkste eigenschap van majoranadeeltjes is dat zij hun eigen antideeltje zijn. Dat dat überhaupt kan, is zeer opmerkelijk. Antideeltjes zijn tegenhangers van gewone deeltjes, met gespiegelde eigenschappen. Zo heeft het elektron, een deeltje met een negatieve lading en positieve energie, als antideeltje het positron, een deeltje met positieve lading en negatieve energie. Normaal gesproken kunnen materie en antimaterie elkaar niet verdragen. Als een elektron op een positron botst, worden daarom beide vernietigd. Dat een deeltje zijn eigen antideeltje kan zijn, is dus bijzonder. Alleen voor neutrino’s kunnen fysici een mechanisme bedenken waarbij dat het geval is. Daarom willen de natuurkundigen in de Stanford Underground Research Facility proberen te bewijzen dat het neutrino inderdaad zijn eigen antineutrino is. Zij gaan dat doen door te speuren naar de handtekening van een zeer zeldzaam natuurkundig proces, genaamd neutrinoloos dubbel-bètaverval.

‘Bij gewoon bètaverval van bijvoorbeeld het neutron, vervalt het neutron tot een proton, een elektron en een antineutrino’, zegt fysicus Alan Poon van de Majorana Demonstrator. Bij dubbel-bètaverval gebeurt dat tweemaal: twee neutronen vervallen tegelijk tot twee protonen, twee elektronen en twee antineutrino’s. Maar bij het nog nooit waargenomen neutrinoloze dubbel-bètaverval gebeurt iets opmerkelijks. ‘Daar komen geen antineutrino’s vrij’, zegt Poon, ‘en dus vervallen twee neutronen in twee protonen en twee elektronen.’

Dat is mogelijk omdat neutronen op twee manieren tot protonen kunnen vervallen: allereerst door een antineutrino uit te stoten, maar ook door een gewoon neutrino te absorberen. Als neutrinoloos dubbel-bètaverval plaatsvindt, zal de door het ene neutron uitgestoten antineutrino daarom door het andere neutron als gewoon neutrino worden opgenomen. Maar dat kan alleen als het neutrino ook zijn eigen antineutrino is. Met andere woorden: als neutrinoloos dubbel-bètaverval gebeurt, moet het neutrino wel een majoranadeeltje zijn.

De jacht op bewijzen van dat neutrinoloze dubbel-bètaverval is echter niet gemakkelijk. Het verval is namelijk zeer zeldzaam. Het isotoop germanium-76 kan in theorie via Ver onder de grond begint dit jaar in Amerika een nieuwe zoektocht naar het majoranadeeltje. In een nog te bouwen detector hopen fysici neutrino’s te dwingen hun verborgen majoranagedrag te tonen. Dat een deeltje zijn eigen antideeltje kan zijn, is dus bijzonder neutrinloos dubbel-bètaverval vervallen, maar doet dat slechts zeer zelden. Als je één germanium-76-atoom 1,3 x 10^23 jaar lang zou bekijken (zo’n 100 biljoen maal de leeftijd van het universum) dan heb je een kans van 50 procent dat je dubbel-bètaverval ziet optreden. Daarom heb je alleen kans een glimp van dit bijzonder zeldzame proces op te vangen als je heel veel van die atomen bij elkaar stopt en vervolgens heel lang blijft kijken.

Dat is dan ook exact wat men van plan is met de ondergrondse Majorana Demonstrator. De grootste uitdaging is daarbij om zeker te weten dat áls het zeldzame verval een keer in de detector gebeurt, deze het ook kan waarnemen. Dat lukt alleen als de fysici het voor elkaar krijgen om de ruis (signalen van andere bronnen dan het gezochte proces) in de detector te verminderen.

De Amerikaanse fysici hopen nu eerst te bewijzen dat hun detector die nauwkeurigheid in de praktijk kan halen. Zij beginnen daarom met een testopstelling die in 2013 en 2014 wordt uitgebreid met onderdelen die daarna ook in de echte detector kunnen worden gebruikt.

De onderzoekers hopen in hun detector ondermeer de ruis te vermijden die veroorzaakt wordt door de natuurlijke straling van radioactieve deeltjes die in allerlei materialen voorkomen. ‘Uraan en thorium zijn elders in het universum gevormd en in kleine hoeveelheden nog overal op aarde aanwezig’, zegt Poon. Beide stoffen zijn radioactief en zenden straling uit die ruis veroorzaakt. ‘We proberen er daarom voor te zorgen dat de materialen waarmee de Majorana Demonstrator gemaakt wordt ultrapuur zijn.’ Pas dan zal het lukken de signatuur van het neutrinoloze dubbel-bètaverval te vinden in de wirwar aan andere signalen die de detector zou kunnen meten.

Majorana al gevonden?

Afgelopen maart maakte de Nederlandse fysicus Leo Kouwenhoven bekend het majoranadeeltje te hebben gevonden. Zijn onderzoeksgroep aan de TU Delft haalde daarmee wereldwijd de pers. Gaan de Amerikanen dan nu niet op zoek naar een deeltje dat al lang gevonden is? Nee, toch niet.

Kouwenhoven ontdekte namelijk een zogeheten quasideeltje – een deftige term voor iets dat geen deeltje is, maar zich wel zo gedraagt. Kouwenhoven kreeg in zijn lab een groepje elektronen zo ver zich te gedragen alsof ze een majornadeeltje waren. Die ontdekking was vooral praktisch interessant, omdat het quasideeltje in de praktijk hetzelfde doet als het veronderstelde echte deeltje.

Het majoranadeeltje (quasi, of echt) kan gebruikt worden voor de bouw van een goed werkende quantumcomputer, omdat het weinig interactie heeft met de omgeving. Voor quantumcomputers is dat zeer belangrijk, omdat de invloed van de omgeving daar juist een groot probleem is.

Dit bericht is eerder verschenen in NWT Magazine