Neutrino's waarnemen

[efdee]

Zijn neutrino's concreet waargenomen tijdens betaverval?

[Xilvo]

Wat versta je onder 'waargenomen'?

Je kunt ze niet zien, niet horen, niet ruiken of voelen - het waarnemen is dus altijd indirect.
Maar dat geldt ook voor bètadeeltjes, elektronen. Net zoals voor heel veel andere zaken..

[Bladerunner]

Het beta verval is één van de processen die leidde tot het bewijs van het bestaan van neutrino's. De belangrijkste reden daarvan was dat het elektron (dat veel eerder ontdekt was al wist men op dat moment nog niet wat het nu precies was) wat vrij komt bij beta verval van een neutron een energieniveau liet zien dat niet overeen kwam met één elektron en dus zocht men naar een deeltje dat verantwoordelijk was voor de extra energie en dat werd het neutrino. Maar daadwerkelijk "waarnemen" kunnen we een neutrino niet omdat het een elementair deeltje is zonder structuur, zonder een fysieke afmeting. En omdat de interactie met materie bijzonder zwak is vangen zelfs speciaal gebouwde neutrinodetectors maar een zeer kleine fractie van alle neutrino's die door de Aarde schieten en zelfs dat zijn altijd indirecte detectiemethodes.

[efdee]

Ik begrijp dan, dat neutrino's tijdens betaverval nooit gedetecteerd zijn,
hooguit stom toevallig.

[Bladerunner]

Als je met detecteren bedoeld dat we iets "gezien" hebben en dat dan een neutrino noemen dan is het antwoord nee. Maar we meten wel een bepaalde energie die volgens het Standaard Model bij een neutrino past. Het zelfde geldt voor b.v. de zoektocht naar het Higgs boson. We wisten dat als het bestaat het een bepaalde minimale en maximale energie (elektronvolts dus) moest hebben en toen we zo'n deeltje vonden en de situatie ook konden reproduceren we dit dus toekende aan het Higgs boson.
Maar dat is geen concreet bewijs dat je bij wijze van spreken onder een elektronenmicroscoop zou zien maar omdat dit soort ontdekkingen wel in het Standaard Model passen kan het moeilijk iets anders zijn tenzij we het hele Standaard Model overboord gooien wat we dus niet doen omdat er teveel toch wel lijkt te kloppen.

[die hanze]

Bijna alles wat bladerunner zegt is volgens mij fout.
De eerste aanwijzing voor het bestaan van het neutrino werd inderdaad gevonden in het beta verval. Dit was echter niet via de ontdekking van een nieuw "energie niveau". Als je het energie spectrum van het elektron(of positron) meet dat vrijkomt bij beta verval zul je zien dat dit niet één wel bepaalde energie waarde is die te voorspellen is met behulp van de behoudswetten. Bij alfa verval is dit wel het geval, het alfa deeltje(helium kern) wordt uitgezonden aan een welbepaalde energie. Dit kun je thuis makkelijk narekenen impuls moet behouden zijn en energie deze 2 constraints bepalen precies hoeveel energie het alfa deeltje krijgt en hoeveel de dochter kern (impuls moet behouden blijven).
Het elektron van het beta verval heeft een energie distributie, een breed spectrum. Er moest dus iets zijn dat momentum en energie "steelde" uit het verval. Dit is het moment waarop voor het eerst het bestaan van het neutrino werd voorgesteld als een uitweg uit dit mysterie. Het neutrino is nadien wel degelijk rechstreeks gemeten net zoals het foton, het electron en alle andere subatomaire deeltjes.

Nu ga ik concreet je vraag beantwoorden.
Bij beta verval word een proton omgezet in een neutron of omgekeerd.

[die hanze]

Bij de kernfusie in de zon en andere sterren worden protonen samen gevoegd tot zwaardere kernen. Doordat deze protonen schillen bezetten in de potentiaal put die ze zelf creëren gaan protonen uit een hoge energie baan omgezet worden in neutronen omdat die dan een lagere baan kunnen bezetten (zoek voor isospin voor meer info). Dit proces is eigenlijk gewoon het omgekeerde van beta verval en ook hier worden neutrino's bij uitgezonden. Deze "solar" neutrino's zijn zeker waargenomen en hebben geleid tot nog een veel leukere ontdekking over neutrino's (verschillende smaken). Ook supernova's produceren enorm veel neutrino's en ook deze zijn waargenomen. Er zijn dus zeker neutrino's waargenomen afkomstig uit beta verval. Maar wat jij in je hoofd hebt is natuurlijk een radio-actieve bron in een lab die aan beta verval doet. Uit zoiets hebben we nog nooit een neutrino gedetecteerd en dat zal ook nooit gebeuren. De reden is dat het neutrino enkel interageert via de zwakke kracht (vandaar neutrino). De botsings doorsnede van het neutrino met elektronen protonen enzo... is enorm enorm klein. De gemiddelde vrije weglengte van het neutrino in lood wordt uitgedrukt in lichtjaren, laat dat even bezinken.
Een bron op aarde produceert dus veel te weinig neutrino's om die ooit te detecteren. In kosmische bronnen(sterren) worden neutrino's in zo'n gigantische hoeveelheden geproduceerd dat je er enkele kan meten in een aardse reactor.

Ik hoop dat dit duidelijk was.

[Benm]

Afgezien daarvan: stel dat je een redelijke neutrino detector zou kunnen bouwen (geen idee hoe), hoe maak je dan het onderscheid met de neutrino flux vanuit de zon? Die komen met pakweg 100 miljard stuks per cm2 door de hele aarde heen zetten, dus ook door je detector.

Je zou een beta-straler moeten hebben met een activiteit in de orde van TBq om daar een beetje bovenuit te kunnen komen. Dat lijkt me niet echt haalbaar als compact testbronnetje, en als het groter wordt heb je ook meer achtergrond van de zon om te meten.

Overigens heb je best mogelijkheden om enorme neutrino-fluxen te maken, bijvoorbeeld in een kerncentrale. Langs die weg zijn ze voor het eerst gemeten (voor zover ik weet anti-neutrino's).

[die hanze]

Ik vergat kernreactoren, klopt inderdaad wat benm hierover zegt. Aangezien de neutrino's bij kernreactoren afkomstig zijn van beta verval van de splijtingsproducten, zijn er inderdaad neutrino's gemeten uit een aardse bron uit beta-verval.
In ieder geval heb je door de lage botsingsdoorsnede een enorm sterke bron nodig. In de natuur kun je deze vinden in de kosmos maar op aarde moeten we ons best doen om een heel straffe bron te maken. De zon produceert wel vele orde groottes meer neutrino's dan welke aardse bron ook, ze staat ook 150 miljoen km ver, dus de meeste gaan nooit door je detector. Bij een bron op aarde kun je je detector heel dicht plaatsen zodat je een zo groot mogelijke ruimte hoek bedekt en uit een veel zwakkere bron toch meer neutrino' deteceren.

[Benm]

Ik denk dat het praktisch niet mogelijk is een bron te maken waar je mee kunt werken: Iets dat zo radioactief is moet een kort halflife hebben, maar dit soort activiteiten heb je het probleem dat materialen smelten of zelfs verdampen door de warmte die vrijkomt door het verval.

Bij een kerncentrale heb je 'waterkoeling' - feitelijk het hele nut van zo'n centrale is water opwarmen om er turbines mee aan te drijven. Maar je hebt het over (thermische) vermogens van gigawatts. Pakweg 90-95% daarvan komt uit de hoofdreactie (uranium/plutoniumsplijting), en die stopt als je het water wegneemt (bij een water-gemodereerde reactor).

Het thermische vermogen zakt dan acuut naar pakweg 5% van wat het was, maar dat is genoeg om brandstofstaven te smelten (meltdown, a la fukushima). Deze energie komt van de splijtingsproducen en is dus een potentiele bron, maar te gevaarlijk om iets praktisch mee te doen. Wellicht zou je kunnen meten bij een 'spent reactor pool' maar dan sta je eigenlijk ook al vlakbij de eigenlijke kernreactor.