Ongenaakbaar en hot - Margriet van der Heijden jul 2008

Neutrinos als boodschappers uit onbekend kosmisch terrein
 

Op de Zuidpool speuren wetenschappers naar neutrinos uit supernovas en zwarte gaten. Hier komen het grootste en het kleinste in de kosmos samen.


Nee, het is niet de kou, zegt Martijn Duvoort, promovendus bij het Sterrekundig Instituut in Utrecht. Want och, veertig graden onder nul, dat wordt het in Canada in de winter ook. Wat het werken op de Zuidpool wl zwaar maakt, zegt hij, zijn de hoogte (2.800 meter), de lage druk en de droogte. Die maken je slap en vermoeid. En dan is er bovendien die krakend droge sneeuw, die zich in je schoenen lijkt vast te bijten. Op verkenning gaan, een eind wandelen, daar zie je snel van af.

In december 2005 reisde Duvoort naar de Zuidpool. Eerst vanaf Christchurch, Nieuw-Zeeland, met een Herculestoestel van het Amerikaanse leger naar het basiskamp McMurdo, aan de rand van de ijskap. Toen met een Hercules naar de geografische Zuidpool. Daar ligt het grote, naar de twee eerste Zuidpoolreizigers vernoemde Amundsen-Scott-Zuidpoolstation. Elke Zuidpoolzomer bivakkeren hier tweehonderd mensen. Sinds 2002 zijn daar ook steeds zon vijftig collegas van Duvoort bij.

Met hulp van warm water boren zij elke poolzomer diepe (2.450 meter) gaten in het ijs. Ze laten daar lange slierten met glazen bollen in zakken. Zestig per sliert, elk zo groot als een basketbal. De bollen bevatten lichtsensoren en apparatuur die de signalen uit die sensoren digitaliseert. Binnen een paar dagen vriezen ze vast.

Heel gestaag groeit zo een reusachtig oog in het poolijs. Een facetoog, dat in 2011 uit 4.800 bollenmoet bestaan, gelijkmatig verdeeldover ruim 80 slierten. Het zaleen kubieke kilometer ijs bewaken.IceCube heet deze detector, waaraan400 onderzoekers van 39 onderzoeksinstitutenwereldwijd werken.

Kosten: ruim 270 miljoen dollar, waarvan ruim 80 procent voor rekening komt van de Amerikaanse National Science Foundation en Amerikaanse onderzoeksinstituten.

Doel: het registreren van de alleen zeer sporadisch opduikende neutrinos uit de kosmos.

Het vangen van neutrinos vereist zon grootse aanpak, zeggen de experts. Want neutrinos zijn het ongenaakbaarst en daardoor het ongrijpbaarst van alle tot dusver ontdekte bouwstenen van de kosmos - van alle elementaire deeltjes dus die zijn ondergebracht in het zogeheten Standaard Model.

Dat komt doordat neutrinos ongevoelig zijn voor drie van de vier krachten die volgens het Standaard Model de natuur regeren. Neutrinos - deeltjes zonder inwendige structuur, die geen elektrische lading dragen en amper massa hebben - gaan volledig aan de elektromagnetische en de sterke kracht voorbij, en ook grotendeels aan de zwaartekracht
. Ze voelen alleen de zwakke kracht, die een rol speelt in kernfusie, in natuurlijk radioactief verval en (soms) bij botsingen tussen atomen en hoogenergetische elektronen en muonen (de zwaardere broers van elektronen). Maar als neutrinos in deze processen eenmaal zijn ontketend en met bijna de lichtsnelheid door het universum jakkeren, dan heeft ook de zwakke kracht er nauwelijks nog greep op.

Het gevolg is dat neutrinos vrijwel steevast de andere materie in het universum negeren. Ze reizen er doorheen alsof er helemaal geen sterren en planeten en gaswolken bestaan. En ze laten amper sporen achter, ofschoon ze in ons heelal toch bijna even talrijk zijn als lichtdeeltjes, fotonen.

Ter vergelijking: terwijl u deze zin leest, vliegen er een biljoen neutrinos met nagenoeg de lichtsnelheid door u heen. Maar toch zal gedurende uw hele leven hooguit n neutrino een spoor in uw lichaam achterlaten. Of zoals de theoretische natuurkundige Wolfgang Pauli het volgens overlevering zou hebben geformuleerd, toen hij in 1930 het bestaan van neutrinos voorspelde: Ik heb iets vreselijks gedaan. Ik heb een deeltje bedacht dat niet waargenomen kan worden.

Maar dat laatste is niet helemaal waar, want heel af en toe botst een neutrino toch op een atoomkern. En tijdens die aanvaring kan, onder invloed van de zwakke kracht, een elektron of een muon ontstaan, naast nog een stel kortlevende, andere deeltjes. En wie veel geduld heeft, en gevoelige meetapparatuur en ruimte genoeg, die heeft kans om zulke zeldzame botsingen waar te nemen.

Zon inspanning is de moeite waard, zeggen Duvoort en zijn begeleider, de Utrechtse astrodeeltjesfysicus Nick van Eijndhoven. Want dankzij hun onverstoorbaarheid zijn neutrinos ook bijzondere informatiedragers, zeggen zij. Neutrinos zijn de enige deeltjes die vanaf hun plek van herkomst rechtstreeks naar de aarde kunnen reizen. Ze raken onderweg niet verstrikt in hete plasmas, gloeiende gaswolken of andere materie. Ze raken niet uit koers door elektrische en magnetische velden. Duvoort: Ze wijzen in rechte lijn terug naar hun bron. Van Eijndhoven: Je kijkt in de loop.

En die loop, de plek van herkomst, is interessant voor astronomen en kosmologen. Neutrinos ontstaan onder meer bij kernfusieprocessen in het binnenste van sterren zoals de zon, en zulke neutrinos zijn op aarde al gemeten. Maar daarnaast komen er volgens de theorie ook neutrinos vrij wanneer zware sterren aan het einde van hun leven in een supernova-explosie ineenstorten. En er ontstaan neutrinos bij deeltjesbotsingen rond actieve zwarte gaten in het hart van melkwegstelsels en in de nog raadselachtige gamma-uitbarstingen. Ofwel: de lichtste van alle tot dusver waargenomen deeltjes kunnen unieke informatie verschaffen over de meest energierijke en grootschalige fenomenen in het heelal.

En misschien, speculeren neutrino-onderzoekers, kunnen neutrinos zelfs een kosmisch raadsel helpen ophelderen: dat van de onzichtbare en onbekende donkere materie in het heelal. Stel dat die donkere materie, zo redeneren zij, bestaat uit deeltjes die net als neutrinos alleen heel zwak reageren op andere materie, en die daarom tot nu toe aan onze aandacht zijn ontsnapt. Zulke deeltjes, vaak aangeduid als WIMPs (weakly interacting massive particles) zouden zich onder invloed van de zwaartekracht onder meer ophopen in het binnenste van sterren. Twee WIMPs zouden daar dan elkaar kunnen vernietigen onder het uitzenden van hoogenergetische neutrinos. Van Eijndhoven: En die zouden waarneembaar zijn in detectoren als IceCube.

Het idee achter IceCube is dat er ook heel af en toe een neutrino op een atoom in het Zuidpoolijs botst. Het elektrisch geladen muon dat dan ontstaat, reist in vrijwel dezelfde richting verder als die waarin het neutrino aankwam. En in een transparant materiaal als water of mooi zuiver ijs zendt zon geladen deeltje een kegel uit van blauw licht. Cerenkovlicht heet het. IceCube is ontworpen om juist dt licht in het vizier te krijgen.

Er is wel een complicerende factor, zegt Van Eijndhoven. In zijn werkkamer op het uitgewoonde Utrechtse Buys Ballotlaboratorium pakt hij er een tekening van IceCube bij. Hoog in de atmosfeer, wijst hij, waar kosmische deeltjes op de dampkring inslaan, ontstaan tijdens daaruit voortvloeiende vervalprocessen ook voortdurend neutrinos en muonen. En in IceCube, zegt Van Eijndhoven, terwijl hij met zijn vinger de schematisch weergegeven deeltjessporen volgt, geven die muonenregens ongeveer duizend signalen per seconde. Een zeldzaam neutrinosignaal valt daarbij helemaal in het niet.

Daarom kijkt IceCube ook niet omhoog, naar de hemel boven het poolijs die zo vol stoorzenders zit. Van Eijndhoven: IceCube kijkt de andere kant op, naar de noordelijke hemel. Dan zit namelijk de aarde er nog tussen. En de aarde is onze buffer. De aarde absorbeert de storende deeltjes.

Neutrinos passeren de aarde wl ongehinderd en onverstoorbaar. En zorgen daarna, heel soms, voor een herkenbaar lichtflitsje in het ijs. In een kubieke kilometer ijs gebeurt dat ongeveer driehonderd keer per dag, schat Van Eijndhoven. Maar het merendeel van die neutrinos is niet interessant, omdat ze zijn ontstaan in de noordelijke atmosfeer. Neutrinos van ver uit de kosmos, daarvan verwachten we er maar 25 per jaar.

Zulke neutrinos zijn herkenbaar aan hun hoge energie en de bijbehorende karakteristieke lichtkegel. Het zorgvuldig scheiden van deze gebeurtenissen van alle achtergrondruis is een cruciaal en tijdrovend onderdeel van de data-analyse. Satellieten, zoals de Swift- en Glastsatellieten die gamma-uitbarstingen in de kosmos registreren, helpen daarbij. Zij wijzen IceCube afgebakende plekken aan om naar neutrinos te zoeken.

Voorlopig is er, op luttele neutrinos uit een supernova-explosie na, nog nooit een neutrino uit de kosmos opgespoord. Niet in IceCube, en ook niet in zijn tegenhanger op het noordelijke halfrond: de Antaresdetector die door Europese onderzoeksinstellingen is gebouwd (kosten: 20 miljoen euro).

Toch wordt Maarten de Jong, bijzonder hoogleraar astrodeeltjesfysica in Leiden en co-spokesman, onderdirecteur zeg maar, van het Antaresexperiment, daar niet pessimistisch van. Integendeel. Neutrinos hebben de toekomst, zegt hij monter.

De Antaresdetector is in feite een proefoog, zegt De Jong. Net als IceCube kijkt Antares door de aarde heen naar beneden. Naar de zuidelijke hemel dus, in dit geval. En ook Antares is een facetoog, opgebouwd uit lange slierten met glazen bollen eraan. Alleen hangen die niet diep in het ijs, maar diep in het zoute water van de Middellandse zee - veertig kilometer uit de Franse kust bij Toulon. Ze beslaan daar een veel kleiner volume: Antares is ruim twintig keer kleiner dan IceCube. De detector is ongeveer even groot als de voorganger van IceCube, het proefexperiment Amanda.

De Jong: Hopelijk mogen we binnen afzienbare tijd beginnen aan een veel grotere opvolger. Die moet dan neutrinos gaan vangen in n en misschien nog wel meer kubieke kilometer zeewater. Km3Net heet hij.

Voor Antares is intussen op het NIKHEF, het Nederlandse instituut voor deeltjesonderzoek in Amsterdam, alweer een tijdje een controlekamer ingericht. De kamer staat rechtstreeks in verbinding met de bedieningskamer in Toulon. Op de beeldschermen kunnen we de onderwaterrobot volgen, wanneer die op de zeebodem aan het werk is, zegt De Jong. En hem zonodig opdrachten geven.

Telewerken past bij dit type experiment, vervolgt hij. De glazen bollen verzamelen de gegevens toch al diep onder water of in het ijs. En of je die data dan bekijkt op de Franse kust, op de poolkap of op een heel ander continent, maakt dan niet meer uit.

Klopt, vindt Van Eijndhoven van IceCube, die zelf nog nooit naar de Zuidpool is afgereisd. Sterker, vertelt hij: zelfs de bedenker en leider van IceCube, de bekende fysicus Francis Halzen, is nog steeds niet naar zijn hersenspinsel in het ijs gaan kijken.

Maar zijn er, als de meetgegevens toch al de aarde rondgaan, dan wel twee van die grote experimenten nodig? Ze hebben in elk geval beide hun voors en tegens, vinden Van Eijndhoven en De Jong.

In het poolijs wordt het Cerenkovlicht meer verstrooid dan in water en dat geeft een onzekerheid in de gemeten karakteristieke hoek van de lichtkegel. In het zoute water van de Middellandse zee zorgen natuurlijke radioactiviteit (kaliumverval) en microben voor storende lichtflitsjes. Maar die kunnen we goed wegfilteren, zegt De Jong.

De IceCubedetector op de Zuidpool staat stil, terwijl de aarde draait, en kijkt dus steeds onder dezelfde hoek naar de hemel. De Antaresdetector staat op een lagere breedtegraad en draait met de aarde mee. Maar zo tasten we een groter stuk van de hemel af, zegt De Jong. Deze detector kan ook het actieve zwarte gat in het centrum van het Melkwegstelsel zien.

In elk geval moeten de onderzoekers van Antares en IceCube in de toekomst in Km3Net hun ervaring bundelen, vindt Van Eijndhoven. We zijn geen concurrenten van elkaar. De twee experimenten zijn complementair. De een kijkt naar het noorden, de ander naar het zuiden, zegt hij. Maar Km3Net moet uiteindelijk wel de grootste en gevoeligste worden, zegt de Jong.

En Martijn Duvoort, wat gaat hij doen als zijn promotieonderzoek is afgerond? Blijft hij naar neutrinos zoeken? Hij weet het nog niet, zegt hij, terwijl hij in zijn eigen werkkamer fotos op zijn beeldscherm tevoorschijn klikt van sneeuwvelden, besneeuwde bergkammen en loodsen in de sneeuw. Meedoen aan zn experiment is natuurlijk een prachtige ervaring.

Maar kiezen voor een wetenschappelijke carrire daarna, is ook kiezen voor onzekerheid. Zeker in het begin. Met kortlopende contracten, in verschillende landen bovendien.

Kijk, zegt hij, en schuift een grote kartonnen doos onder zijn werktafel vandaan. Veilig opgeborgen in schuimrubber ligt daar een van de grote glazen bollen uit het IceCube-experiment. Een kapot exemplaar, maar met sensoren en elektronica en al. Duvoort kreeg hem als aandenken van zijn collegas mee. Als ik toch wat heel anders ga doen, dan zet ik deze als souvenir in mijn huis neer.

Voor meer informatie over IceCube en Antares, zie:icecube.wisc.edu en antarses.in2p3.fr

Door uw lichaam gaan nu een biljoen neutrinos Onderzoekers kijken door de aarde heen de kosmos in Samen met elektronen en hun zwaardere broers, de muonen en de tau-deeltjes, horen neutrinos tot de zogeheten leptonen. Dat wil zeggen dat ze niet zijn opgebouwd uit de quarks waaruit kerndeeltjes - en dus atoomkernen - wl bestaan. Het betekent verder dat neutrinos ongevoelig zijn voor de sterke kracht die quarks bindt en atoomkernen bij elkaar houdt. Neutrinos dragen geen elektrische lading en zijn daarom ook ongevoelig voor de elektromagnetische kracht. Lange tijd werd gedacht dat neutrinos evenmin massa hadden, maar dat is niet waar. Hun massa is alleen zo extreem klein dat ze zich zelfs aan de zwaartekracht niets gelegen laten liggen. Neutrinos zijn, kortom, uitsluitend gevoelig voor de zwakke kracht. Die regeert over processen waarin deeltjes van gedaante veranderen. Zoals die waarin een neutron (een neutraal kerndeeltje) in een proton (een positief geladen kerndeeltje) verandert. Of die waarin een elektron in een muon wordt omgezet. De neutrinos die daarbij vrijkomen, zorgen ervoor dat deze processen volgens de regels verlopen, dus met behoud van elektrische lading, impuls enzovoorts. Er zijn drie typen neutrinos: het elektron-, het muon- en het tauneutrino. Neutrinos uit de kernfusieprocessen in sterren zoals de zon zijn vooral elektronneutrinos. De IceCube en Antaresdetectoren zijn gevoelig voor muonneutrinos uit hoogenergetische botsingen in de kosmos. Astrodeeltjesfysica: zo heet het onderzoeksgebied waarin deeltjes uit de ruimte worden gebruikt om astrofysische en zelfs kosmologische verschijnselen te onderzoeken. Waarin dus het allerkleinste (de deeltjes) en het allergrootste (de sterren en melkwegstelsels) samenkomen. Astrodeeltjesfysica is in. In Nederland krijgt het aandacht van de onderzoeksfinancier Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie. In Europa trok de Europese Commissie in 2006 voor het driejarige ASPERA-programma 2,5 miljoen uit. Dat onderzoeksprogramma op het gebied van astrodeeltjesfysica wordt verder gefinancierd door zeventien EU-landen. Vorig jaar presenteerden zij een roadmap. Het onderzoek met en aan neutrinos had daarin een grote plaats. In de Verenigde Staten ten slotte heeft een commissie van het Department of Energy, een belangrijke onderzoeksfinancier, in juni in een rapport (us Particle Physics: Scientific Opportunities, A Strategic Plan for the Next Ten Years) aangeraden om een world-class neutrino-onderzoeksprogramma tot hoofdonderdeel van het Amerikaanse deeltjesonderzoek te maken. Deels gaat het daarbij om onderzoek aan neutrinos met (bestaande) versnellers, deels om astrodeeltjesonderzoek waarbij de neutrinos uit de kosmos vooral informatiedragers zijn. Overigens valt te betwijfelen of dit advies alleen uit interesse in de neutrinos is ingegeven. Bijkomend voordeel is dat onderzoek aan neutrinos geen reusachtige nieuwe versnellers vereist. Neutrinos uit de kosmos komen zelfs gratis en voor niets aan. Door zich te richten op astrodeeltjesonderzoek kunnen deeltjesfysici bovendien hun werkterrein verleggen, nu plannen voor grote nieuwe deeltjesversnellers in de ijskast staan.

Datum:

19-07-2008

Sectie:

Wetenschap

Pagina:

W01

Foto-onderschrift:

In de Middellandse Zee worden bollen met apparatuur in zee neergelaten (links) en aan een boei op hun plek gehouden (onder). Rechts het Zuidpoolproject, op schaal. Bij het onderzoekscentrum van IceCube op de Zuidpool (links) worden kilometersdiepe gaten in het poolijs geboord (helemaal onder) om bollen met apparatuur neer te laten die neutrinos uit de ruimte moeten waarnemen. Als zon neutrino op een atoom in het poolijs botst, is een kegel blauw Cerenkovlicht te zien.

Trefwoord:

Natuurkunde; Wetenschap en techniek; Astronomie en ruimtevaart

Persoon:

Martijn Duvoort