How big is Hoogenergetisch neutrino?

Een hoogenergetisch neutrino is een neutrino met een heel grote hoeveelheid energie, zoals de neutrino's die de Aarde vanuit de verre ruimte bereiken. Neutrino's zijn elementaire deeltjes zonder elektrische lading en met bijna geen massa. Geen enkel experiment heeft een grootte voor een neutrino gemeten, dus de getoonde waarde is geen meting.

Grootte

In de grootteregel staat 15 zeptometer, oftewel 1,5 × 10⁻²⁰ meter. Een zeptometer is 10⁻²¹ meter, een duizendste van een miljardste van een miljardste van een meter. De notatie 10⁻²¹ betekent 1 gedeeld door een 1 gevolgd door 21 nullen. De verkenner geeft niet aan welke energie zijn hoogenergetische neutrino heeft, en geen enkel experiment heeft een grootte gemeten voor neutrino's met welke energie dan ook.

Voor quarks hebben experimenten in elk geval een bovengrens voor de grootte bepaald. Voor neutrino's zijn natuurkundigen het er nog niet over eens hoe een grootte zelfs maar moet worden gedefinieerd. De Particle Data Group, die deeltjesmetingen uit de hele wereld verzamelt, vermeldt grenzen voor een grootheid die de ladingsstraal van het neutrino heet. Ze merkt ook op dat de betekenis van die grootheid nog steeds omstreden is.

Wat wel goed bekend is, is hoe zelden neutrino's in wisselwerking staan met wat dan ook. Een neutrino voelt maar twee van de vier fundamentele krachten, de zwakke kracht en de zwaartekracht. Omdat het geen elektrische lading heeft, wordt het niet geduwd of getrokken door elektrische en magnetische krachten, en voelt het de sterke kracht niet die quarks bijeenhoudt.

Groottevergelijkingen

Afgezien van de zwaartekracht kan een neutrino een ander deeltje alleen beïnvloeden via de zwakke kracht, die ongeveer 10⁻¹⁸ meter ver reikt. Dat is minder dan een duizendste van de breedte van een proton, dat ongeveer 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) breed is.
De meeste neutrino's gaan dwars door de hele Aarde heen, die 12.742 kilometer breed is, zonder te worden tegengehouden.
De kans dat een neutrino iets raakt, groeit met de energie. Een neutrino met een energie van 40 TeV (40 biljoen elektronvolt, waarbij een elektronvolt een minuscule eenheid van energie is) legt gemiddeld ongeveer de breedte van de Aarde af voordat de Aarde het tegenhoudt.
Om de weinige neutrino's op te vangen die wél in wisselwerking staan, houdt de IceCube-detector op de Zuidpool een kubieke kilometer ijs in de gaten, met 5.160 lichtsensoren die tussen 1.450 en 2.450 meter onder het oppervlak hangen.

Neutrino's uit de ruimte

Tussen mei 2010 en mei 2012 registreerde IceCube 28 gebeurtenissen met hoge energie, veel meer dan de ongeveer 11 die werden verwacht van deeltjes die in de atmosfeer van de Aarde ontstaan. De twee meest energierijke hadden elk ongeveer 1 PeV, oftewel 1.000 TeV. In 2013 meldde het IceCube-team ze als bewijs voor hoogenergetische neutrino's uit de ruimte.

Op 13 februari 2023 registreerde de ARCA-detector van de KM3NeT-telescoop, op 3.450 meter diepte in de Middellandse Zee voor de kust van Sicilië, een neutrino met een energie van naar schatting ongeveer 220 PeV. Anno 2026 is dat het meest energierijke neutrino dat ooit is waargenomen. Dat ene deeltje had ongeveer evenveel energie als een tennisbal die van een hoogte van 6 centimeter valt.

Wetenschappers denken dat zulke neutrino's afkomstig zijn van de meest gewelddadige plekken in het heelal, zoals de omgeving van superzware zwarte gaten en ontploffende sterren. Daar worden deeltjes die kosmische straling worden genoemd versneld tot enorme energieën, en die deeltjes kunnen neutrino's voortbrengen.

Hoe neutrino's worden opgevangen

Na fotonen, de deeltjes van licht, zijn neutrino's het op een na meest voorkomende deeltje in het heelal. Toch staan ze zo zelden in wisselwerking dat, in de woorden van het OpenStax-leerboek Astronomy, “de Aarde voor een neutrino doorzichtiger is dan de dunste en schoonste glasplaat voor een foton licht.” Om ze op te vangen zijn enorme detectoren nodig.

IceCube en KM3NeT houden enorme hoeveelheden ijs of zeewater in de gaten. Als een neutrino wél iets raakt, maakt het elektrisch geladen deeltjes die een blauwachtige gloed uitzenden, Tsjerenkovlicht genoemd. Sensoren registreren de gloed, en natuurkundigen gebruiken die om de richting en de energie van het neutrino te bepalen.