Zeebodem als venster op het heelal

Astronomie Detector in Middellandse Zee vangt deeltjes uit centrum Melkweg
Zeebodem als venster op het heelal
Slierten van glazen bollen
voor de kust van Toulon
meten sinds deze maand
lichtflitsjes van neutrino’s
uit de kosmos. De deeltjes
kunnen nieuw zicht geven
op het heelal.
Door onze redacteur
Margriet van der Heijden
Amsterdam, 12 juni. „Ik noem”,
zegt Maarten de Jong, „de Antares-detector altijd een ‘democratische’ detector.” De Jong is bijzonder hoogleraar astrodeeltjesfysica
aan de Universiteit Leiden en deputy-spokesperson, onderdirecteur zeg
maar, van het grote Europese Antares-experiment in de Middellandse Zee. De afgelopen weken
legde een onderwaterrobot de
laatste hand aan de grote detector
van dat experiment. Verdeeld over
twaalf slierten van 350 meter lengte hangen er nu, iets uit de kust bij
het Franse Toulon, 900 identieke
glazen bollen in zee.
Dat laatste is het democratische
eraan, licht De Jong toe. Andere
grote detectoren om minuscule
deeltjes, bouwstenen van de materie, mee waar te nemen, bestaan
uit verschillende componenten –
elk met hun eigen functie en de
ene belangrijker dan de andere.
Maar de 900 identieke bollen doen
allemaal hetzelfde. Namelijk de
intensiteit en de aankomsttijd meten van kleine lichtflitsjes in het
zeewater. Vaak worden die flitsjes
veroorzaakt door (onschadelijke)
licht radioactieve processen in het
zeewater zelf. Maar soms worden
ze in het water geproduceerd door
de deeltjes waar het de fysici van
Antares om gaat: neutrino’s uit de
kosmos – en het echte meetwerk
daaraan is nu begonnen.
Het meten aan neutrino’s heeft
zijn eigen dynamiek, vertelt De
Jong in zijn werkkamer op het nationaal instituut voor deeltjesfysica, het NIKHEF, in Amsterdam.
Wie neutrino’s wil vangen moet
veel geduld hebben en een uitgestrekt ‘vangnet’. Want van alle elementaire deeltjes die tot dusver
zijn ontdekt, zijn neutrino’s de
meest ongrijpbare.
Neutrino’s komen onder meer
vrij bij kernfusieprocessen in sterren zoals de zon, ze worden in
reusachtige aantallen geproduceerd tijdens supernova-uitbarstingen in de ruimte en ze ontstonden in grote getale kort na de
oerknal. Anders gezegd: het heelal
is dichtbevolkt met neutrino’s,
maar daarvan merken wij op aarde
nagenoeg niets. Dat komt doordat
neutrino’s alleen heel zelden in
wisselwerking treden met andere
vormen van materie en daarbij een
signaal produceren.
En dus kunnen alleen detectoren die een groot volume bestrijken genoeg van de zeldzame neutrinosignalen verzamelen. Tenminste, als ze óók in een omgeving
staan met weinig storingen, want
alleen dan zijn de neutrinosignalen van de achtergrondruis te onderscheiden. Maar als dat lukt,
dan geven neutrino’s een heel
nieuw zicht op het heelal, juist
omdat ze dwars door de sterren en
stofwolken heen ongehinderd in
rechte lijn van bron naar detector
reizen.
De Middellandse Zee biedt nu
zo’n venster: de slierten hangen er
net boven de zeebodem, op 2400
meter diepte. Daar produceren de
neutrino’s af en toe ‘Cerenkovlicht’, ofwel identificeerbare lichtflitsjes. De Jong: „Als we de detector helemaal geijkt hebben, verwachten we er tien per dag. Maar
voorlopig is het nog een kwestie
van kalibreren, tot je er gek van
wordt.”
Ook als straks de hele detector
geijkt is, zal er om de tien minuten
een kalibratiemeting zijn. De
Jong: „Omdat de slierten in zee
langzaam heen en weer wiegen,
moeten we steeds opnieuw hun
onderlinge posities vaststellen.”
Het werken op meer dan twee
kilometer diepte stelt ook verder
zo zijn eisen. Met zijn handen gebaart De Jong hoe groot bijvoorbeeld de stekker was, die de onderwaterrobot twee weken geleden
aansloot op de ‘stekkerdoos’ op de
zeebodem, onderaan de laatste
sliert bollen. Het ding was polsdik
en een halve meter lang. Dat is nodig, zegt De Jong, om de druk op
die diepte (250 atmosfeer) te weerstaan, om de robot er in die omstandigheden mee te kunnen laten
manoeuvreren, en om in de stekker ‘sluizen’ te bouwen die kortsluiting voorkomen. De glasvezelkabels die in de stekkerdozen op
elkaar werden aangesloten, brengen de gegevens van de meetinstrumenten uit de glazen bollen
Tekening van de lange slierten met glazen bollen die lichtflitsen van neutrino’s in zee detecteren.
Stekkerdoos van 0,5
meter moet druk op
zeebodem weerstaan
naar de kust. Daar scheiden snelle
computers via patroonherkenning
het kaf van het koren.
Wat moet, na tien jaar voorbereiden en opbouwen, de detector
van 20 miljoen euro gaan opleveren? Ten eerste genoeg expertise
om een twintig keer grotere neutrinodetector in de Middellandse
zee te gaan bouwen, aldus De
Jong. Die KM3NeT-detector moet
de overwegend Amerikaanse IceCube neutrinodetector in het ijs
van de Zuidpool in afmeting gaan
overtreffen en het echte wetenschappelijke werk gaan doen. De
Jong: „Want neutrino’s hebben de
toekomst.”
Maar daarnaast moeten er volgend jaar genoeg neutrino’s verzameld zijn, om ook zelf met wetenschappelijke resultaten te komen,
al ‘moeten we daarin bescheiden
zijn’, zegt De Jong. „Als eerste kijken we naar het het centrum van
ons melkwegstelsel, waar een
zwart gat zit.” De neutrino’s die in
de buurt daarvan ontstaan, moeten inzicht geven in de dynamiek
van dat gebied. Mooie bijkomstigheid: concurrent IceCube kan vanaf de zuidpool juist dit centrum
níet zien.
Zes van de 900 identieke bollen gaan aan kabels te water. Foto’s en illustratie Antares/ Nikhef.
De meest ongrijpbare elementaire deeltjes
Van alle tot dusver ontdekte elementaire deeltjes zijn neutrino’s de meest ongrijpbare. Die
ongrijpbaarheid danken neutrino’s aan het feit dat ze amper
massa hebben. Daarom zijn ze
nagenoeg ongevoelig voor de
zwaartekracht. Verder dragen ze
geen elektrische lading en trekken zich dus niets aan van de
elektromagnetische kracht. Bovendien zijn neutrino’s onge-
voelig voor de ‘sterke kracht’
die de meer alledaagse deeltjes
bijeenbrengt in kerndeeltjes en
atoomkernen. Enkel de ‘zwakke
kracht’ laat neutrino’s sporadisch de aanwezigheid van andere vormen van materie ‘voelen’. Zo kan heel af en toe een
van de talloze miljarden neutrino’s die elke seconde door de
aarde vlieden toch nog een
spoortje achterlaten.
Een onderwaterrobot sluit een stekkerdoos aan op 2.400 meter onder de zeespiegel.