Grootste neutrinotelescoop ter wereld staat op de Zuidpool - ie

technologie
Grootste neutrinotelescoop ter
wereld staat op de Zuidpool
IceCube heeft volume van één kubieke kilometer
BRUSSEL. Op Antarctica (het continent rond de Zuidpool) doen wetenschappers uit verschillende landen wetenschappelijk onderzoek. Sommigen verblijven er permanent, maar de meesten zijn er slechts in bepaalde seizoenen. De
onderzoeksdomeinen zijn – onder meer – geneeskunde, klimatologie, aardmagnetisme, meteorologie, geofysica en technologie.
In 2010 werd op de Zuidpool, na jaren van plannen en testen, het laatste element
van het IceCube-observatorium geïnstalleerd. Aan de grootste neutrinotelescoop ter wereld werkten wetenschappers mee van de Vrije Universiteit
Brussel en van de Universiteit Gent. Grofweg
100 ingenieurs waren er bij betrokken.
Prof. dr. Nick van Eijndhoven (VUB)
legt uit wat het wetenschappelijk
! Van onze hoofdredacteur
project inhoudt.
“IceCube is een wetenschappelijk instrument dat inzichten van de astrofysica, de deeltjesfysica en de kosmologie combineert. De relatief jonge wetenschappelijke discipline wordt astrodeeltjesfysica genoemd. De hoogenergetische neutrino’s die men met de neutrinotelescoop kan waarnemen,
geven interessante informatie over de kosmologische verschijnselen die
zich aan de rand van het heelal afspelen. Hoogenergetische neutrino’s
detecteert men met het IceCube-observatorium. Het is het hoofdthema
van het onderzoek. Het gigantisch project heeft meer dan tien jaar van
plannen, ontwikkelen en testen gekost. Eind december 2010 werd het
laatste element van het IceCube-observatorium op de Zuidpool geïnstalleerd.”
Neutrino
“Tot het einde van de jaren 1920 waren er slechts drie subatomaire
deeltje bekend: (mantel)elektronen en de kerndeeltjes protonen en
neutronen. In het begin van de jaren dertig ontdekte men dat er bij
bepaalde processen - het zogeheten betaverval - elektronen met
een hoge energie uit de atoomkern vrijkwamen. Hun energie is heel
wat groter dan die van de elektronen die rond de kern draaien, de
mantelelektronen. Een nauwkeurige bestudering van het betaverval toonde aan dat bij een beschrijving van het proces als een
verval van een neutron in een proton en een elektron de energie
niet behouden bleef. Wolfgang Pauli loste dat probleem op. Hij
stelde dat er bij het betaverval nog een derde deeltje ontstond
dat geen lading had en ook niet werd waargenomen. Dat uit de
atoomkern vrijgekomen ‘spookdeeltje’ noemde de Italiaanse
natuurkundige Enrico Fermi in 1934 ‘neutrino’, wat het
Italiaanse equivalent is van ‘klein neutraaltje’. Een neutrino is
een lepton, wat ‘klein’ betekent in het Grieks. Pas in 1956,
twee jaar na het overlijden van Fermi, slaagde men erin om
neutrino’s langs experimentele weg te bepalen. Neutrino’s
hebben geen lading en zijn dus ongevoelig voor elektromagnetische interacties. Neutrino’s zijn ook ongevoelig
I-mag april 2012
12
TECHNOLOGIE
Nick van Eijndhoven
Nick van Eijndhoven werd in 1960 in ‘s
Hertogenbosch geboren. Hij studeerde
experimentele hoge-energiefysica aan
de universiteit van Nijmegen. In 1983
specialiseerde hij zich aan de Vrije
Universiteit van Amsterdam in het
domein van de hoge-energieneutrino’s.
Daar promoveerde hij ook tot doctor. Hij
werkte 8 jaar op de CERN, keerde daarna terug naar Nederland waar hij gedurende 17 jaar professor was aan de universiteit van Utrecht. Sinds drie jaar is
hij professor aan de Vrije Universiteit
van Brussel, waar hij het vak ‘experimentele hoge-energiefysica’ doceert.
Hij staat bekend voor zijn heldere uitleg
van de complexe moderne fysica. Dat
ondervonden ook wij bij dit interview.
NL
stelsel is de naam die het sterrenstelsel
kreeg, omdat het vanaf de aarde lijkt op
een melkkleurige penseelstreek langs de
nachtelijke hemel.”
Zon
“De meeste neutrino’s die de aarde bereiken zijn afkomstig van de zon, die ook een
ster is aan de rand van ons sterrenstelsel.
In de zon botsen waterstofkernen tegen
elkaar. Zo vormen ze heliumkernen. Bij
dat kernfusieproces komt er energie vrij.
De oppervlakte van de zon, de zogenaamde fotosfeer, zendt het zichtbaar licht uit
dat we op aarde zien. De oppervlakte van
de zon is korrelig. Dat komt doordat hete
gassen naar boven stijgen en koelere naar
beneden zakken, naar de convectiezone
eronder. Fotonen die uit de kern van de
zon komen, botsen op ionen en dragen
kleine hoeveelheden energie over. Per
seconde passeren er miljarden zonneutrino’s per vierkante centimeter.”
Herkomst
“Neutrino’s zijn zo oud als het heelal.
Men ontdekte dat ze hun ontstaan te
danken hebben aan kosmologische
bronnen of aan het botsen of uitsterven
van sterren. Volgens optimistische
schattingen zijn er niet meer dan tienduizend sterren vanaf de aarde zichtbaar, terwijl het sterrenstelsel vele miljoenen sterren telt. Interstellair waterstof en stof ontneemt ons evenwel het
zicht op sterren die verder weg staan.
Bovendien wordt het waterstofgas niet
gelijkmatig door het heelal verspreid,
maar in plekken met hoge concentraties, want de zwaartekracht trekt het
gas bijeen. Die moleculaire wolken zijn
de wieg voor nieuwe sterren. Na enkele
miljoenen jaren valt de grote gaswolk in
kleine gaswolken uiteen. Daaruit wordt
dan opnieuw een ster geboren.
Sterrenbeelden zijn configuraties van
sterren, zoals we ze vanaf de aarde kunnen zien. Het Melkwegstelsel bestaat
uit meer dan tweehonderd miljard sterren en een onmetelijke hoeveelheid
interstellair gas en stof. Melkweg-
Grootste telescoop
Prof. dr. Nick van Eijndhoven: “Het
IceCube-observatorium bestaat uit twee
componenten.
De eerste - de ‘InIce-component’ - bevindt
zich op een diepte tussen 1.450 en 2.450
meter in het Zuidpoolijs. De tweede - de
‘IceTop-component’ - bevindt zich aan de
oppervlakte van het ijs. De InIce-component bestaat uit 86 verticale kabels of
strings. Elke kabel heeft 60 ‘glazen bollen’
waarin heel wat hightech elektronica is
aangebracht. De wetenschappelijke naam
van zo’n ‘glazen bol’ is ‘digital optical
module’ of DOM, optische module of
fotonmultiplier.”
“IceCube is een van de meest ambitieuze
wetenschappelijke projecten die ooit werden gebouwd. Het heeft een volume van
één kubieke kilometer. Er werd voor
Antarctica gekozen, omdat het de koudste
plek op aarde is. De temperaturen schommelen met de jaargetijden. Afhankelijk
van de plaats ligt de temperatuur tussen 20 C en -60 °C. In het Vostok-station, op
een duizend kilometer van de Zuidpool,
werd de laagste temperatuur ooit op
aarde gemeten: -89 °C. Antarctica is praktisch volledig met ijs bedekt. Het continent heeft de laagste luchtvochtigheid.
De ijsdikte bedraagt gemiddeld 3 km.
Negentig procent van al het ijs op de
wereld ligt op Antarctica. De Zuidpool is
ook een solide laag ijs die zich op een
rotsachtige ondergrond bevindt. Dat voorkomt de vervorming van de detectoren. De
‘ondergrond’ van de Noordpool bestaat uit
water. Een groot gebied eromheen is met
ijs bedekt: geen landijs zoals op
Antarctica en Groenland, maar zee-ijs dat
gemiddeld 1 tot 4 meter dik is en uit bevroren oceaanwater bestaat. In de zomer
neemt de totale oppervlakte van het ijs op
de Noordpool af door de sterke stijging
van de luchttemperatuur. De Noordpool is
dus onvoldoende stabiel voor wetenschappelijke metingen, zoals die met de
IceCube. Bij het IceCube-project zijn 35
instituten betrokken uit verschillende landen, zoals China, Duitsland, Engeland,
Zweden, de VS, België, Zwitserland,
Japan, Nieuw-Zeeland en Australië.
Antarctica wordt wel eens beschouwd als
het wetenschappelijk paradijs”.
“In totaal bevinden er zich 86 keer 60 of
5160 van die ‘glazen bollen’ in het ijs. Aan
de oppervlakte bevinden zich bij elke
string 2 grote tanks die gevuld zijn met
Tekst en foto’s:
Ing. Noël LAGAST MSc
Muonneutrino
voor sterke kernkrachten, maar volgens
Einsteins algemene relativiteitstheorie
zijn ze wel gevoelig voor zwaartekracht,
net als trouwens de massaloze fotonen
of lichtdeeltjes.”
zeer helder ijs. Eerst worden die tanks met
water gevuld. Dat bevriest na een tijdje.
Elke tank heeft 2 ‘glazen bollen’ om ook in
die tanks de lichtsignalen te kunnen waarnemen die de geladen deeltjes produceren die door de tank gaan. Die tanks met
glazen bollen vormen de zogeheten
IceTop-detector die de kosmische straling
meet. Een IceTop heeft dus 2 keer 86 of 172
tanks en bijgevolg 2 keer 86 keer 2 of 344
‘glazen bollen’. Een foton dat door het
glas onderaan de DOM gaat, treft een
soort metaal en maakt een elektron vrij.
Het wordt door de hoogspanning, die via
een kabel naar de DOM wordt toegevoerd,
versneld. Het treft op zijn weg een volgend plaatje, maakt opnieuw een elektron
vrij, enz.”
“Een muonneutrino is de tweede generatie neutrino’s uit het standaardmodel van
drie generaties. De eerste generatie is
het elektronneutrino, de derde generatie
heet de tauneutrino. Neutrino’s gaan bijna
ongehinderd door gewone materie heen.
Met IceCube willen we de bronnen achterhalen van de deeltjes die met een enorme
energie onze aardatmosfeer doordringen.
Zo kan men nagaan welke fenomenen de
kosmische straling veroorzaken. Het
onderzoek van de VUB focust daarbij op
de signalen van de sensoren die zich diep
in het Antarctisch ijs bevinden.”
IceCube
13
I-mag april 2012