Interview met een Nobelprijswinnaar: Takaaki Kajita over neutrino's en zwaartekrachtgolven

Terwijl de overwinterende vogels hun ogen nog toe hadden in België, was Takaaki Kajita wakker bij klaarlichte dag. Kajita won de Nobelprijs in 2015 nadat hij ontdekt had dat ongelofelijk kleine deeltjes, genaamd neutrino's, massa hebben, wat in strijd was met de uitspraken van het standaardmodel in de natuurkunde.

Japan behoort al 50 jaar tot de wereldtop op het gebied van neutrino-wetenschap. In de jaren tachtig was het de Japanse natuurkundige Masatoshi Koshiba die het brein was achter de bouw van een enorme neutrinodetector 1000 meter onder de grond.

De detector, die de naam Kamiokande kreeg, is een enorme watertank omringd door fotomultiplicatorbuizen om de lichtflitsen te detecteren geproduceerd door de wisselwerking van neutrino's met de atoomkernen van het water.

Kajita – die net natuurkundestudent was toen Koshiba zijn Nobelprijswinnende werk deed – werd geïntrigeerd door de studie van deze spookachtige deeltjes en trad toe tot het Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) aan de Universiteit van Tokyo, waar hij de volgende twee decennia zou werken aan neutrinofysica.

Al snel zou hij een sleutelrol spelen bij de oprichting van de opvolger van Kamiokande, het Super-Kamiokande-experiment. Daarmee toonde hij aan dat de verhouding tussen elektron en muonneutrino's, die van weerszijden van de aarde komen, verschillend is.

Die ontdekking betekent dat deze neutrino's - gecreëerd wanneer kosmische stralen interageren met atoomkernen in de bovenste atmosfeer - van soort veranderen terwijl ze door de aarde bewegen, en bijgevolg een massa moeten hebben. Er zijn drie soorten, bepaald aan de hand van hun massa, waartussen neutrino's kunnen veranderen.

Met zijn ontdekkingen in neutrino-wetenschap trad Kajita in de voetsporen van zijn oud-mentor Koshiba en deelde hij de Nobelprijs met Arthur McDonald.

In 2015 kreeg uw neutrino-onderzoek de Nobelprijs in de fysica. Wat hield uw onderzoek in?

'Ik kreeg een Nobelprijs voor mijn onderzoek naar neutrino’s geproduceerd door interacties van kosmische straling in onze atmosfeer. Fysici dachten lang dat deze kleine deeltjes geen massa hadden; op dat model was veel andere fysica gebaseerd.'

'Wij observeerden echter dat zowat de helft van de muon-neutrino’s verdwijnen wanneer ze door de aarde passeren, wat bewijst dat neutrino’s van type kunnen veranderen en zodoende ook een massa moeten hebben. Het is voor deze doorbraak dat ik uiteindelijk de Nobelprijs kreeg.'

Wat kunnen neutrino’s voor ons betekenen?

'De massa van een neutrino is tien ordes van grootte kleiner dan de massa van andere deeltjes. Dat is héél klein, en er wordt gedacht dat zo'n kleine massa van neutrino’s de sleutel kan zijn om de oorsprong van materie in het universum te verklaren.'

'Als we immers kijken naar de geschiedenis van het universum, is het vandaag de dag nog steeds niet duidelijk waarom deze materie er is.'

'In de hete bigbangoersoep ontstonden gelijktijdig deeltjes en antideeltjes. Wanneer deze deeltjes en antideeltjes dicht bij elkaar komen, heffen ze elkaar echter weer op. Wanneer het universum uiteindelijk afkoelde, zou men verwachten dat al die materie- en antimateriedeeltjes elkaar zouden opheffen, wat betekent dat er vandaag de dag geen materiedeeltjes meer zouden moeten zijn.'

'De realiteit is natuurlijk helemaal anders: jij en ik zijn immers zelf gemaakt van materie! We kunnen nog niet goed verklaren waarom er toch materie is, al menen veel theoretische fysici dat de kleine massa van neutrino’s het bestaan van materie dus zou kunnen verklaren.'

Hoe verandert het leven na het winnen van een Nobelprijs?

'Substantieel. (lacht) Sinds 2015 komen er jaarlijks wel honderd vragen voor lezingen en presentaties, waar dat er voordien maar enkele per jaar waren. Ik doe er zo veel als mogelijk, want het is zo belangrijk om over het belang van wetenschap te spreken.'

Komt met de Nobelprijs volgens u dan een verplichting om aan wetenschapscommunicatie te doen?

'Ja, dat denk ik wel.'

Twintig jaar na het Nobelprijswinnende onderzoek, besloot u om van onderzoeksveld te veranderen. Dat is ongewoon.

'Ik had meer dan twintig jaar aan neutrino's gewerkt. Dat voelde voor mij te lang en het was tijd voor iets nieuws en spannends. In 2008 veranderde ik mijn focus dus naar zwaartekrachtsgolven.'

'Ondertussen ben ik PI (hoofdonderzoeker, red.) van het KAGRA-project, waarmee een laser interferometer gebouwd werd om zwaartekrachtgolven mee te observeren. Die laser interferometer bevindt zich trouwens in dezelfde berg als Kamiokande en Super-Kamiokande, de grote neutrino-detectoren van mijn eerdere onderzoek.'

Waarom zwaartekrachtgolven?

'Zwaartekrachtgolven helpen ons om zwarte gaten beter te begrijpen, alsook de samensmelting van neutronensterren. In zulke systemen zal de ruimte immers ook fluctueren, met gravitationele golven als gevolg. Die zullen de ruimte in één richting comprimeren en uitrekken in de andere richting. Dat effect in de ruimte proberen we dan te observeren.'

'Dat zwaartekrachtgolven bestaan weten we al. Om de richting te voorspellen van de gebeurtenissen waaruit ze voortkomen moeten detectoren over de hele wereld samenwerken.'

'Als we simultane observaties hebben van zulke gebeurtenissen in de ruimte, dan kunnen we door het meten van de timing van het signaal de juiste richting schatten. En daarna observeren astronomen hetzelfde object via gewone telescopen voor verder onderzoek en interpretatie.'

'Op die manier dragen we in een wereldwijde samenwerking van zwaartekrachtgolfdetectoren direct bij aan de sterrenkunde.'

Hoe verschilt KAGRA van die andere detectoren in de wereld, zoals LIGO in de VS?

'Er zijn enkele verschillen. LIGO, en ook VIRGO in Italië trouwens, zijn gebouwd op het land, terwijl KAGRA zich ondergronds bevindt. Een detector bovengronds moet omgaan met veel meer ruis: ze voelen substantiële beweging van de grond. Ondergronds is er veel minder last van dat soort ruis, KAGRA is in dat opzicht beter geplaatst.'

'Daarop aanvullend worden de hoofdspiegels bij KAGRA gekoeld tot wel 20 Kelvin, wat veel kouder is dan bij de LIGO- en VIRGO-detectoren. ulke spiegels zijn weliswaar moeilijk te maken, maar het is een manier waarmee we hopen ons te onderscheiden. De spiegels hebben namelijk minder last van fluctuaties aan het oppervlak die optreden door de thermische beweging van moleculen.'

Wat zijn uw plannen nog voor de toekomst, naast het verder ontwikkelen van de KAGRA interferometer?

'Met KAGRA zijn we aan een langetermijnproject begonnen, dat is dus voornamelijk waar mijn toekomstplannen liggen. Gravitationele golven observeren zal een enorme verwezenlijking zijn, al mogen we de resultaten pas over een tweetal jaar verwachten. Om zo veel mogelijk gravitationele golven te observeren, willen we ook nog verdere upgrades uitvoeren om de gevoeligheid van de instrumenten te verbeteren.'

Een gouden raad voor studenten die wel een Nobelprijs willen?

'Wees gemotiveerd. Interesse in wat je doet, in onderzoek of iets anders, is het allerbelangrijkste!'

'Het echte onderzoek doen als jonge wetenschapper vond ik trouwens het spannendst. Vergeet er dus zeker niet van te genieten.'