Zonneneutrino’s bij SNOLAB betrapt op omzetting van koolstof-13 naar stikstof-13

Duizenden meters onder het aardoppervlak, in de duistere diepten van de aardkorst, hebben onderzoekers eindelijk zonneneutrino’s op heterdaad betrapt bij het omzetten van koolstof-13 in stikstof-13.

Het is de eerste keer dat deze zeldzame, door neutrino’s aangedreven kernreactie daadwerkelijk is waargenomen. Daarmee wordt zichtbaar hoe sommige van de meest ongrijpbare en haast immateriële deeltjes in het heelal toch ongemerkt materie kunnen veranderen, ver onder de grond, ver weg van het daglicht.

“Deze ontdekking gebruikt de natuurlijke aanwezigheid van koolstof-13 in de vloeibare scintillator van het experiment om een specifieke, zeldzame interactie te meten,” zegt natuurkundige Christine Kraus van SNOLAB, het Canadese neutrino-observatorium waar de detectie is gedaan.

“Voor zover wij weten, vormen deze resultaten de laagste-energie-observatie van neutrino-interacties met koolstof-13-kernen tot nu toe en leveren ze de eerste directe meting van de doorsnede voor deze specifieke kernreactie naar de grondtoestand van de resulterende stikstof-13-kern.”

Diep ondergronds bij SNOLAB en SNO+

Neutrino’s behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het grote heelal. Ze ontstaan bij extreem energierijke processen, zoals supernova-explosies en de atoomfusie die in de harten van sterren plaatsvindt - en daardoor zijn ze praktisch overal.

Toch zijn ze notoir moeilijk te vangen. Neutrino’s hebben geen elektrische lading, hun massa is bijna nul en ze reageren nauwelijks met andere deeltjes die ze tegenkomen. Op dit moment gaan honderden miljarden neutrino’s dwars door je lichaam heen, alsof het geesten zijn. Vandaar hun bijnaam: spookdeeltjes.

Heel af en toe botst een neutrino wél op een ander deeltje. Zo’n botsing geeft een extreem zwakke lichtflits en een cascade van andere deeltjes. Alleen is dat signaal aan het aardoppervlak lastig te onderscheiden, omdat kosmische straling en achtergrondstraling alles overstemmen.

Daarom bevinden sommige van de beste neutrino-detectoren zich diep onder de grond, waar de aardkorst fungeert als afscherming tegen straling. In zulke installaties staan enorme kamers met fotodetectoren, gevuld met een vloeibare scintillator die de minieme signalen van zeldzame neutrino-interacties versterkt - licht dat opbloeit in totale, stille duisternis.

Zonneneutrino’s, gesmeed in het binnenste van de Zon, stromen voortdurend door de Aarde. Hun energieën vallen in een bekend bereik, waardoor ze relatief eenvoudig te onderscheiden zijn van atmosferische en astrofysische neutrino’s, die veel energieker én veel schaarser zijn. Op de diepte van 2 kilometer van de SNO+-detector van SNOLAB is vrijwel elke gebeurtenis in deze energieband van zonne-oorsprong.

Hoe een zonneneutrino koolstof-13 omzet in stikstof-13

Onder leiding van natuurkundige Gulliver Milton van de University of Oxford (VK) analyseerde het team SNO+-gegevens die zijn verzameld tussen 4 mei 2022 en 29 juni 2023. Ze zochten naar een heel specifiek signaal dat past bij een neutrino-interactie met koolstof-13 in de scintillatorvloeistof.

Wanneer een elektron-neutrino van de Zon een koolstof-13-kern raakt, gebeuren er twee dingen. Ten eerste ontstaat er een elektron - een negatief geladen deeltje - terwijl de kern het neutrino opneemt.

In de kern van koolstof-13 zitten 13 deeltjes: zes positief geladen protonen en zeven neutrale neutronen. Door de zwakke wisselwerking die door het neutrino wordt geactiveerd, verandert één van die neutronen in een proton, waarbij een elektron wordt uitgezonden.

Omdat het aantal protonen zo toeneemt van zes naar zeven, is het atoom niet langer koolstof maar stikstof-13, met zeven protonen en zes neutronen.

Ongeveer 10 minuten later valt de gevormde stikstof-13 - een instabiele radioactieve isotoop van stikstof met een halveringstijd van, je raadt het al, 10 minuten - uiteen. Daarbij komt een kenmerkend anti-elektron vrij, oftewel een positron.

Het tweestaps signaal: vertraagde coincidentie

Samen levert dit proces een herkenbare lichtsignatuur in twee stappen op, een zogeheten vertraagde coincidentie. In de praktijk zoeken de onderzoekers naar een elektron, gevolgd door een positron 10 minuten later, als vingerafdruk van een neutrino dat koolstof-13 omzet in stikstof-13.

Wat SNO+ in 231 dagen aan aanwijzingen vond

Op basis van 231 dagen aan observatiegegevens identificeerde het team 60 kandidaat-gebeurtenissen. Toen ze deze kandidaten door hun statistische model haalden, kwam daaruit een schatting van 5,6 door neutrino’s aangedreven koolstof-stikstof-transmutaties. Dat ligt opvallend dicht bij de 4,7 gebeurtenissen die ze vooraf verwachtten.

“Het vastleggen van deze interactie is een buitengewone prestatie,” zegt Milton. “Ondanks de zeldzaamheid van de koolstofisotoop konden we de interactie met neutrino’s waarnemen die in de kern van de Zon zijn geboren en enorme afstanden hebben afgelegd om onze detector te bereiken.”

Waarom deze meting belangrijk is

De uitkomst is veelbelovend. Het bevestigen van theoretische voorspellingen is belangrijk, omdat het laat zien dat de natuurkundige beschrijving klopt.

Daarnaast levert het een nieuwe meting op van de kans (doorsnede) van juist deze specifieke laag-energetische neutrino-koolstofreactie. Daarmee ontstaat een nieuw ijkpunt binnen de kernfysica dat in toekomstig onderzoek van pas komt.

“Zonneneutrino’s zijn al jarenlang een intrigerend onderwerp van studie, en metingen daarvan door ons voorgangersexperiment, SNO, leidden tot de Nobelprijs voor natuurkunde in 2015,” zegt natuurkundige Steven Biller van de University of Oxford.

“Het is opmerkelijk dat ons begrip van neutrino’s uit de Zon inmiddels zó ver is gevorderd dat we ze nu voor het eerst kunnen gebruiken als een ‘testbundel’ om andere soorten zeldzame atoomreacties te bestuderen!”

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters.