In januari 2018 onderzocht een team van 9 bachelorstudenten, begeleid door onderzoeker Shin’ichiro Ando en postdoc Bradley Kavanagh, het stralingsverval van neutrino’s en de gevolgen daarvan voor de komsische microgolf-achtergrondstraling – overgebleven straling uit de hete oerknal, bijna veertien miljard jaar geleden. Het team bepaalde precieze grenzen voor de levensduur van het neutrino, en ontdekte dat die levensduur ordes van grootte langer is dan de leeftijd van het heelal. Shin’ichiro Ando, die de groep begeleide, zegt: “Theoretische natuurkunde en astrofysica hebben weliswaar een redelijk korte tijdspanne vergeleken met andere vakgebieden als het gaat om het publiceren van artikelen, maar het was nog altijd een bijzondere uitdaging om bachelorstudenten slechts vier weken lang te begeleiden en toch een uitkomst te bereiken die een publicatie waard was.  De studenten zijn verantwoordelijk voor een groot deel van het artikel. Ze waren enorm gemotiveerd, en werkten heel professioneel als een groep samen. Ik ben trots op hun prestatie.”

Levensduur van het neutrino

Neutrino’s, vrijwel massaloze elementaire deeltjes, zouden wel eens onverwacht interacties kunnen hebben met fotonen – lichtdeeltjes – door middel van hun magnetische momenten. Zulke interacties leiden tot het verval een zwaarder neutrino in een lichter neutrino en een foton. Als de overgebleven neutrino’s uit de oerknal, die vandaag de dag het hele heelal vullen, komen te vervallen, hebben de uitgezonden fotonen een microgolf-frequentie. Aangezien uit metingen bekend is dat de kosmische microgolf-achtergrondstraling lijkt op de straling van een vrijwel perfect zwart lichaam, is zelfs een minieme verstoring in het uitgezonden spectrum van golflengten als gevolg van neutrinoverval niet toegestaan. Het team gebruikte de data van het COBE-FIRAS-instrument om zo precieze grenzen te stellen aan de levensduur van het neutrino, en deed bovendien voorspellingen voor toekomstige microgolf-achtergrondstralingsprojecten zoals PIXIE. De gevonden grenzen zijn heel nauwkeurig en heel strikt, en zijn even competitief als, of zelfs sterker dan de state-of-the-art-grenzen afkomstig van laboratoriummetingen aan het magnetische moment van het neutrino.

Geweldige ervaring

Het werk werd uitgevoerd in de context van het vier weken lange ‘ITFA Workshop’-programma in januari van 2018, onderdeel van het gezamenlijke bachelorprogramma in Natuur- en Sterrenkunde van de Universiteit van Amsterdam en de Vrije Universiteit Amsterdam. Dylan van Arneman, een van de deelnemende studenten, zegt: “Het was heel leuk om aan dit project te werken. Ik heb niet alleen geleerd hoe je een artikel moet schrijven, maar ben ook beter gaat begrijpen wat de structuur van wetenschappelijke artikelen is, wat me weer hielp om zulke artikelen beter te kunnen lezen en interpreteren. Het was erg leuk om te zien hoe de drie deelgroepen, die in principe geheel onafhankelijk van elkaar werkten, erin slaagden om elke week hun resultaten en bevindingen te delen en zo uiteindelijk tot een goed lopend eindproject te komen.”

Bradley Kavanagh, een van de begeleiders, voegt daaraan toe: “Het begeleiden van de workshop was een geweldige ervaring. De studenten waren allemaal betrokken en gemotiveerd door de gedachte dat ze aan een echt onderzoeksproject werkten, met een goed gedefinieerd doel en de mogelijkheid om aan het eind een artikel te schrijven. Het begeleiden van de workshop was soms wel een uitdaging. We konden niet alles van tevoren plannen We moesten steeds de lezingen en colleges aanpassen, als de studenten bijvoorbeeld meer voortgang maakten dan verwacht, of juist meer tijd en ondersteuning nodig hadden bij het oplossen van een bepaald probleem. Uiteindelijk waren we erg onder de indruk van de hoge kwaliteit van het door de studenten geproduceerde onderzoek!”

Referentie

De resultaten van het project zijn samengevat in een artikel dat op 2 juli in Physical Review D is gepubliceerd.

Precision constraints on radiative neutrino decay with CMB spectral distortion, Jelle L. Aalberts, Shin’ichiro Ando, Wouter M. Borg, Edwin Broeils, Jennypher Broeils, Stephen Broeils, Bradley J. Kavanagh, Gijs Leguijt, Marnix Reemst, Dylan R. van Arneman en Hoang Vu, Phys. Rev. D 98 (2018) 023001.