Het is fantastisch om dingen fout te hebben in fundamentele natuurkunde

De afgelopen paar weken is er veel gejuicht rond de observatie van gravitatiegolven na jarenlang zoeken (en een voorbarige 'ontdekking' in 2014). Het gejuich is zeker rechtvaardig, maar resultaten uit een ander lab in Japan, herinneren ons aan de andere kant van het verhaal: dingen fout hebben.

De Japanse resultaten wijzen erop dat de flux en energiedistributie van geobserveerde antineutrinos niet overeenkomen met onze theoretische voorspellingen. Onze modellen zijn misschien gewoon incorrect, of er bestaat een tot nog toe onbekende, nieuwe soort neutrino. Maar de resultaten, die afgelopen week gepresenteerd werden in Physical Review Letters, zijn verre van 'slecht.' Ze zijn spannend. Dingen fout hebben is spannend.

De data achter het paper werd verzameld met zes van de acht detectoren die de Daya Bay Reactor Neutrino Experimenten vormen. Deze detectoren zoeken naar antineutrino's die waarschijnlijk geproduceerd worden in het nabijgelegen Daya Bay Nuclear Reactor en de Ling Ao NPP. Antineutrino's vormen een significante fractie van de totale energie die vrijkomt bij kernsplijting.

De Japanse resultaten zijn het product van 217 dagen dataverzameling. De energieën van de antineutrino's werden gemeten tot op 1 procent onzekerheid, wat volgens de natuurkundigen de meest nauwkeurige antineutrinometingen ooit zijn. De data van de groep onthulde een opvallende 'piek' in de energieniveau's van de gemeten deeltjes die tussen de 4 en 6 MeV (megaelektronvolt) zat.

Twee soortgelijke antineutrino-experimenten, Double Chooz in Frankrijk en RENO in Korea, toonden soortgelijke excessen in energie aan. De piek is interessant, maar het verwarrende hieraan is dat de totale overmaat in energie kleiner is dan de verwachte 6 procent. Het lijkt erop dat er deeltjes missen.

De nieuwe resultaten geven een statistische significantie van 4-sigma. Dat is nog niet de 5-sigma die nodig zijn om het een ontdekking te maken, maar het is zeer veelbelovend. De voorgaande detecties waren 3-sigma (Double Chooz) en 3.5-sigma (RENO). Het lijkt er dus op dat er iets interessants en onverwachts gebeurt.

Misschien een stapje terug: wat is een antineutrino in godsnaam? Deze antideeltjes van neutrinos worden geproduceerd bij het proces van nucleair bètaverval – een neutron valt dan uiteen in een elektron, een proton en antineutrinos. Om die reden worden ze gezocht in de buurt van kernreactors, waar bètaverval constant plaatsvindt in de reactorkern. We meten al vijf decennia vervalproducten, maar pas in de afgelopen jaren werd de onverwachte piek en gebrek aan antineutrinos duidelijk.

Deze afwijkingen worden niet voorspeld in het Standaardmodel, een incompleet model van fundamentele deeltjes die nog altijd gebruikt wordt omdat het best goed werkt en we niets beters hebben. Omdat het model incompleet is, worden mensen superenthousiast als iets niet lijkt te passen, omdat het een beter beeld zou kunnen geven over de subatomische wereld.

De resultaten waar de Daya Bay-experimenten op wijzen zouden een nieuwe kijk op de neutrino kunnen geven; een mogelijkheid is het bestaan van de 'steriele' neutrino die in sommige theoretische modellen wordt voorspeld. Maar het lijkt er eerder op dat we ons begrip van kernverval in reactoren moeten aanpassen, of misschien zelfs hoe onze detectoren werken, zoals Thierry Lasserre van het CEA Saclay onderzoeksinstituut in Frankrijk zegt. De missende deeltjes zouden kunnen betekenen dat we iets nieuws gaan leren over het universum. Uiteindelijk.

"Daya Bay verschaft ons nu met de meest nauwkeurige data, en het zijn fantastische resultaten, maar we hebben nog geen solide verklaring voor wat het betekent," zegt hij. "We hebben nieuwe experimenten nodig die zoeken naar steriele neutrino's, waarvan sommige al in de maak zijn. We verwachten binnen de komende drie jaar nieuwe resultaten."

Een open-accessversie van de resultaten is beschikbaar op de arXiv pre-preprintserver.