Promovendus maakt voorspellingen voor productie en detectie van steriele neutrino’s
Een natuurkundig model voorspelt het bestaan van steriele neutrino’s, wat drie grote vraagstukken uit de fysica zou oplossen. Om ze daadwerkelijk te vinden met een deeltjesversneller moeten onderzoekers weten hoe ze geproduceerd worden en hoe ze vervallen. Promovendus Kyrylo Bondarenko heeft hier voorspellingen voor gemaakt, die worden gebruikt door een samenwerkingsverband van 52 wetenschappelijke instituten. Hij promoveert cum laude.
Ruim dertien miljard jaar geleden creëerde de oerknal ongeveer tien miljard maal meer materie dan er vandaag de dag door het heelal zweeft. Tegelijkertijd ontstond een net zo duizelingwekkende hoeveelheid antimaterie, dat snel in het niets annihileerde met zijn tegenhanger. Dit had zomaar het kortste en enige verhaal kunnen zijn in het universum. Ware het niet dat een kleine asymmetrie in de verhouding tussen materie en antimaterie ervoor zorgde dat een tien-miljardste deel overleefde. Daaruit is het heelal ontstaan zoals we het nu kennen, inclusief een diersoort die een verklaring probeert te vinden voor deze mysterieuze asymmetrie. Het is een van de grote fundamentele vraagstukken in de deeltjesfysica, samen met de aard van donkere materie en het raadsel rond neutrino’s die oscilleren tussen drie verschillende types.
νMSM-model
Bovenop het beproefde Standaardmodel hebben deeltjesfysici een aanvullend model ontwikkeld dat de drie hierboven geschetste problemen in één klap oplost—het Neutrino Minimal Standard Model (νMSM). Het voorspelt drie onontdekte deeltjes, genaamd steriele neutrino’s: een kandidaat voor donkere materie met een massa tussen de 1 en 50 keV/c2 en twee deeltjes die samen verantwoordelijk zijn voor neutrino-oscillaties en de materie-antimaterie asymmetrie, met een massa ergens tussen enkele MeV/c2 en tientallen GeV/c2. Als het wetenschappers lukt om ze te vinden, zou dat sterk bewijs leveren voor het νMSM-model, en dus voor een oplossing van drie enorme wetenschappelijke raadsels. Dus waar gaan we zoeken? Natuurkundige Kyrylo Bondarenko heeft tijdens zijn promotie de manieren herzien waarop je de deeltjes vindt door de intensiteitsfrontier te verleggen.
Energiefrontier
In de afgelopen decennia waren natuurkundigen druk bezig om de energiefrontier te verleggen. Ze bouwden daarom steeds grotere deeltjesversnellers om deeltjes te laten botsen op zo hoog mogelijke snelheden. Tijdens een botsing wordt de kinetische energie van de deeltjes omgezet in nieuw gecreëerde deeltjes. Hoe hoger de energie, des te zwaardere deeltjes kunnen verschijnen. Het relatief zware Higgsboson werd geproduceerd in de Large Hadron Collider op CERN door de energiefrontier te verleggen naar 8 TeV.
Intensiteitsfrontier
De steriele neutrino’s van het νMSM-model liggen al decennialang binnen ons energiebereik. De reden dat we ze nooit hebben gezien, is misschien dat ze slap wisselwerken met andere deeltjes. Dan zou je een belachelijk aantal botsingen nodig hebben, in de orde van 1020, tot er uiteindelijk eentje ontstaat door puur toeval. Dat betekent dat natuurkundigen de intensiteitsfrontier moeten verleggen door meer botsingen per seconde te genereren. Binnen de onderzoeksgroep van Alexey Boyarsky heeft Bondarenko voorspellingen gemaakt voor de productie en detectie van steriele neutrino’s. Die worden momenteel gebruikt door het Search for Hidden Particles (SHiP) experiment—een samenwerking tussen 52 wetenschappelijke instituten. De SHiP-onderzoekers hebben die voorspellingen nodig om te weten waar ze precies naar zoeken. Hun data bestaat uit vervalproducten van gecreëerde deeltjes. Alleen als ze de mogelijke vervalproducten kennen van steriele neutrino’s kunnen ze die (indirect) zien.
Kyrylo Bondarenko verdedigt zijn proefschrift op 15 november om 11:15 uur in het Academiegebouw.
Promotor Alexey Boyarsky: 'Kyrylo significantly developed phenomenology of new particles that may be responsible for the observed “beyond Standard Model problems”, contributed very significantly in the development of Monte Carlo simulations of the SHiP collaboration, a new experiment in CERN that will be looking for such particles, and predicted sensitivities of SHiP for a number of “portals” for new physics. His work was very significant and visible in the collaboration of 39 institutes from many countries, it also required a unique combination of theoretical and experimental expertise.'