Neutrino's in zee - Dirk van Delft

ANTARES KIJKT DWARS DOOR AARDE NAAR KOSMOS

In de Middellandse Zee, voor de kust van Toulon, bouwen fysici twee kilometer onder water een detector die hoog-energetische neutrino's uit het diepe heelal gaat waarnemen. `Antares is een nieuw venster op de kosmos.'
 

`HET ZOU ME zeer verbazen als we met Antares geen nieuwe fenomenen zouden zien die ons helpen een verklaring te vinden voor wat nu nog raadselachtige verschijnselen zijn.'' Jos Engelen, aan het Nikhef in Amsterdam hoogleraar in de experimentele hoge-energiefysica, is vol goede moed dat de neutrino-detector die op dit moment in de Middellandse Zee ter hoogte van Toulon gebouwd wordt zowel de natuurkunde als de astronomie vooruit zal helpen. ``Antares betekent een wezenlijke aanvulling. Een neutrino-kijker ziet fundamenteel dieper dan het gebruikelijke instrumentarium. Hij dringt door tot de kern van kosmische objecten als actieve galactische centra en gammaflitsen, black boxes voor telescopen die radio- of rŲntgenstraling of zichtbaar licht opvangen.''
 


Onderschrift:
Impressie van de Antares-detector, 2,5 km onder water in de Middellandse Zee, voor de kust van Toulon. Antares is gevoelig voor hoog-energetische neutrino's uit de heelal. Glazen bollen met daarin een lichtsensor. In totaal heeft Antares 1000 bollen, bevestigd aan 13 kabels die vanaf de bodem 500 meter omhoog rijzen. Illustraties F. Montanet

Neutrino's zijn `spookachtige' elementaire deeltjes zonder lading en met een mogelijk geringe massa. Ze zijn in 1930 bedacht door de Oostenrijkse fysicus Wolfgang Pauli en in 1956 daadwerkelijk experimenteel aangetoond. Later bleken er drie soorten te bestaan: elektron-, muon- en tau-neutrino's. Hun wisselwerking met de materie is zeer gering: van de tien miljard neutrino's die de aarde op hun weg vinden is er maar ťťn die een interactie aangaat; de rest dringt er dwars doorheen. Neutrino's komen vrij bij radioactief verval van atoomkernen, of van exotischer objecten die direct na de Oerknal zijn gevormd. In het tweede geval bezitten ze energieŽn tot boven de 1000 biljoen GeV (giga-elektronvolt). Ter vergelijking: deeltjesversnellers als de Large Hadron Collider in GenŤve (in aanbouw) komen niet verder dan 1000 GeV.

``Hoog-energetische neutrino's vormen een nieuw venster op het heelal'', zegt Engelen. ``Astrofysici zijn zeer geÔnteresseerd in Antares. Graag zouden ze weten waar de fantastische hoeveelheden energie waarmee gammaflitsen gepaard gaan vandaan komen. Ook voorspellen sommige - speculatieve - deeltjestheorieŽn dat er bij fase-overgangen kort na de Big Bang, waarbij de basiskrachten in de natuur van elkaar ontkoppeld raakten, topologische defecten zijn opgetreden, vergelijkbaar met de manier waarop in een kristal dat bij het stollen van een vloeistof ontstaat lokale foutjes optreden. Als gevolg daarvan zouden er nog altijd in het heelal extreem zware objecten rondzwerven, luisterend naar namen als magnetische monopolen en kosmische snaren. Als die vervallen, komen er ook hoog-energetische neutrino's vrij. En omdat neutrino's ongeladen zijn worden ze niet door intergalactische magneetvelden alle kanten opgebogen en verliezen ze geen energie. Met Antares zouden we zulke exotische deeltjes op het spoor kunnen komen, iets wat een deeltjesversneller door zijn beperkte energie nooit zal lukken.''

CHERENKOV-STRALING
Antares (een acroniem voor astronomy with a neutrino telescope and abyss environmental research) is ontworpen om muon-neutrino's te detecteren met energieŽn boven de 10 ŗ 100 GeV. Om de kans op een event voldoende groot te krijgen wordt gebruik gemaakt van 1/20 km3 water - later op te schalen tot 1 km3. Wanneer een muon-neutrino door dat water vliegt en in een atoomkern met een neutron of proton reageert, ontstaat er een muon, het zwaardere broertje van het elektron. Omdat dat muon sneller gaat dan de lichtsnelheid in water ontstaat er een kegel van blauw licht (Cherenkov-straling) die door strategisch geplaatste sensors wordt opgemerkt. Hoe meer licht de sensors opvangen, hoe energierijker het neutrino was. Bovendien beweegt het muon in zo goed als dezelfde richting als het neutrino waaruit het voortkwam, zodat de locatie van de kosmische bron is te achterhalen.

De eerste fase van Antares (een internationaal samenwerkingsverband waarin het Nikhef participeert) bestaat uit de bouw van een proefdetector op 50 kilometer buiten de kust van de Franse marinestad Toulon. De Middellandse Zee is daar 2,5 kilometer diep. In het water komen vertikaal dertien kabels te hangen, van boven gezien een spiraal met een oppervlak van 0,1 km2. Beneden zijn ze verankerd op de zeebodem, 500 m hoger zit een boei. Om de 8 of 16 meter zitten aan die kabels bollen bevestigd, met daarin lichtsensors. Aldus ontstaat een detector die neutrino's ziet met energieŽn boven de 10 ŗ 100 GeV. In 2003 moet hij af zijn. Kosten: circa 30 miljoen gulden, waarvan 8 miljoen op te brengen door het Nikhef.

Dat Antares twee kilometer onder de zeespiegel zit is nodig om de detector af te schermen tegen straling van boven. Engelen: ``Onder invloed van kosmische straling uit de ruimte worden in de atmosfeer muonen gevormd en die wil je niet zien.
Antares bestaat uit duizend bollen met lichtsensoren en verspreid over zo'n groot volume is dat niet al te briljant. Dus is het een hele toer om het spoor van de muonen die je wel wilt zien te volgen. Om die reden kijken we naar beneden, naar neutrino's die dwars door de aarde heen Antares bereiken of min of meer langs het oppervlak arriveren. Je ziet op die manier ongeveer de helft van de hemelbol, maar omdat we in Toulon halverwege pool en evenaar zitten en de aarde draait, blijft maar een klein stukje van de hemel buiten beeld.''

Het bouwen van een neutrinodetector op de bodem van de Middellandse Zee vergt geen technologie die nog uitgevonden moet worden, maar brengt wel complicaties met zich mee. Engelen: ``Aan de bedrijfszekerheid van de componenten worden hoge eisen gesteld, je kunt niet iedere dag met een bootje naar beneden. Voor de sensoren wil je laagvermogen-elektronica, je moet letten op de afdichting van je doorvoeren, je hebt lasertjes nodig die het tien keer zo lang uithouden dan gebruikelijk.'' Nikhef-collega dr. Maarten de Jong vult aan: ``De glazen bollen bestaan uit twee perfect geslepen helften die op elkaar drukken en tot 10 kilometer diep waterdicht zijn. Dat we met duizend stuks kunnen volstaan komt omdat het water ter plekke behoorlijk helder is, de Cherenkov-lichtkegels komen vijftig meter ver.''

Op advies van het Nikhef is ervoor gekozen de data die de lichtsensors afgeven - iedere seconde wordt het signaal een miljard keer gesampled - niet lokaal te zeven maar in hun geheel (een gigabit per seconde) via glasvezelkabels van 50 kilometer naar de kust te sturen en pas daar met een batterij computers te verwerken. De Jong: ``Deze all data to shore-benadering heeft als voordeel dat je veranderende fysische inzichten kunt vertalen in nieuwe algoritmes die je alsnog op de data loslaat. Als je direct 99,99 procent weggooit ben je veel minder flexibel.''

Door naar beneden te kijken mag Antares de stortregen aan atmosferische muonen ontwijken, toch kampt de detector met forse achtergrondruis. Het leeuwendeel komt voor rekening van het instabiele isotoop kalium-40, afkomstig van zouten die in het water zijn opgelost. Ook heeft Antares last van bio-luminescentie. Engelen: ``Het laatste heeft een seizoenwerking. Als de stroming ter plaatse toeneemt raken die beestjes opgewonden en dat vertellen ze elkaar met licht. Door clusters van drie bollen aan de kabels te bevestigen bereik je dat via coÔncidenties van signalen de achtergrond van kalium-40 eruit is te halen. Er lopen op dit moment wat experimenten met testkabels om hier ervaring mee op te doen.''

BAIKALMEER
Het idee voor een neutrino-detector onder water stamt uit de jaren zestig. In de jaren negentig is er een gebouwd in het Baikalmeer - met 1,1 km eigenlijk te ondiep - waarbij het ijs als werkvloer fungeerde en er in een tijdsbestek van zeventig dagen vier neutrino's opdoken. Wetenschappelijk interessanter is de Amanda-detector op Antarctica. Tot twee kilometer in het ijs zijn optische sensors geplaatst door bollen neer te laten in schachten heet water. Engelen: ``Hun voordeel is dat ze geen last hebben van kalium-40, onze grootste achtergrondbron. Daar staat tegenover dat Cherenkov-licht in ijs sneller verstrooid raakt zodat de onnauwkeurigheid in hun locaties van neutrinobronnen boven de graad ligt, terwijl die bij Antares 0,2 graden bedraagt. En omdat ze op de Zuidpool zitten kunnen ze een minder groot gedeelte van de hemel zien en valt bijvoorbeeld het centrum van de Melkweg buiten hun bereik en juist daar zit een zwart gat.''

Uit metingen aan hoog-energetische kosmische straling (vooral protonen) blijkt dat wil Antares een paar keer per jaar een zeer energierijk neutrino in beeld krijgen, het volume van de detector opgeschaald moet worden naar 1 km3. Engelen: ``Het beste is meer kabels te plaatsen en de hoogte op te voeren tot 1 kilometer, dan meet je in alle richtingen even goed. In dat geval is de locatie bij Toulon niet diep genoeg en zul je naar elders in de Middellandse Zee moeten, waarbij je het logistiek hanteerbaar moet houden. De Fransen, die in 1996 het initiatief tot Antares hebben genomen, zijn daar niet blij mee.''