Kosmische superdeeltjes

Kosmische superdeeltjes
www.kennislink.nl
Uit het verre heelal hamert energierijke straling in op onze atmosfeer. Uit de deeltjeslawines die de straling in
de lucht opwekt kunnen natuurkundigen de energie van de straling meten: in sommige gevallen meer dan de
theorie voor mogelijk houdt. Tijd voor nieuwe ideeën.
Drieduizend vierkante kilometer Argentijnse pampa is door sterrenkundigen omgetoverd tot een gigantische deeltjesdetector.
Met zijn 1400 detectoren wordt het Pierre Auger-observatorium een van de nauwkeurigste telescopen voor kosmische straling.
Die bestaat uit deeltjes als fotonen, protonen en atoomkernen, allemaal met een flinke bewegingsenergie.
Voorlopige tests met het observatorium laten laten alleen straling onder de zogenaamde Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) limiet
zien, een theoretische bovengrens aan de energie van de straling. Dat meldde New Scientist op 18 juli. Vreemd, want oudere
detectoren als de Japanse Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) en Fly's Eye in Utah hebben al deeltjes gemeten die de GZKlimiet doorbreken. Zagen zij nieuwe en nog onbekende deeltjes, komt de straling niet van ver maar toch uit de omgeving van
onze melkweg, of zien de oude detectoren spoken? Nederlandse schooldaken helpen misschien daar een antwoord op geven.
Weergave van een particle shower in de atmosfeer. Een deeltje ploegt zich met hoge energie in de dampkring. Door botsingen
met luchtmoleculen raakt het deeltje – bijvoorbeeld een foton, proton of ijzerkern – steeds energie kwijt. Die wordt omgezet in
hordes nieuwe deeltjes, zoals muonen en elektronen, maar ook fotonen gammastraling, die allemaal blijven afremmen en extra
deeltjes aanmaken. Pas als de bewegingsenergie van de deeltjes onder de energie daalt om een nieuw deeltje te maken, houdt de
lawine op. Met een netwerk van detectoren op de grond kunnen natuurkundigen de oorsprong en aard van het originele deeltje
opsporen.
Elektronvolt
In de theorie van subatomaire deeltjes werken natuurkundigen met de elektronvolt (eV). Eén eV komt overeen met 1,6x10-19
Joule. Om een elektron te maken is een half miljoen eV nodig; voor een proton 0,9 miljard eV. Moderne deeltjesversnellers
kunnen een deeltje opjagen tot een biljoen (duizend miljard) elektronvolt. Kosmische straling kan allerlei energieën hebben; van
een miljard elektronvolt tot ver boven het bereik van moderne deeltjesversnellers.
De maximumenergie van kosmische straling, de GZK-limiet, werd voor het eerst berekend in 1966: volgens de
kwantumveldentheorie houdt een deeltje met meer dan 5x1019 eV aan bewegingsenergie het niet lang uit in ons heelal. Normale
gammastraling, zeker geen zwakkeling als het gaat om energie-per-deeltje, begint al bij 106 eV. De GZK-limiet ligt nog eens
vijftig miljoen miljoen keer zo hoog. Hoe komt dat energieplafond tot stand?
Waden door de microgolf achtergrond
Kosmische straling bestaat uit allerlei verschillende deeltjes. Atoomkernen, gestript van hun omliggende elektronen; losse
protonen, lichtdeeltjes als fotonen en de bijna ongrijpbare neutrino's: in kosmische straling komen ze allemaal voor.
Superenergetische deeltjes als deze moeten door de microgolf achtergrond heenploegen, het nagloeiende licht van de Oerknal en
het vroege heelal. Botsingen tussen kosmische straling en fotonen uit de microgolf achtergrond remmen de kosmische straling
telkens af. Bij de botsingen ontstaan andere deeltjes die energie wegdragen, zoals elektronen of hun zwaardere broers, muonen.
Energiespectrum van kosmische straling. Verticaal de hoeveelheid energie die per seconde, per vierkante meter wordt
afgeleverd; horizontaal de energie per deeltje. De verschillende vormen in de plot geven aan welk observatorium een deeltje
waarnam. Tussen 1012 en 1015 eV zijn die meestal afkomstig uit supernova-restanten als neutronensterren en zwarte gaten.
Tussen 1015 en 1018 eV komt de straling uit pulsars (snel rondtollende neutronensterren die een bundel straling rondzwiepen).
Kosmische straling boven de 1018 eV is mysterieus: een deel komt misschien uit Active Galactic Nuclei, heldere kernen van
sterrenstelsels op grote afstand. Die wekken energie op als hun centrale zwarte gat materie verslindt. Een ander deel wordt
misschien opgewekt uit overgebleven defecten in het weefsel de ruimte-tijd, die ontstonden tijdens de Oerknal.
bron: Günter Sigl, Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS.
Onmogelijke afstand
Volgens berekeningen met de kwantumveldentheorie, die alle subatomaire deeltjes beschrijft, komen deeltjes die ontstaan met
méér energie dan de GZK-limiet 'maar' 50 megaparsec (160 miljoen lichtjaar) van hun bron. De dichtsbijzijnde melkweg,
Andromeda, ligt bijna drie miljoen lichtjaar van ons af. Binnen 50 megaparsec zijn er geen bronnen te vinden van straling die
tegen de GZK-limiet aanhikt.
"Kosmische straling komt uit allerlei bronnen, zoals de zon, supernovae in de melkweg, maar ook extremere explosies als
hypernovae", vertelt prof. dr. Pierre van Baal, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden. Hij coördineert
de Leidse cluster van het Nederlandse HiSparc-project. In dat project plaatsen middelbare scholen een deeltjesdetector op hun
daken en delen hun meetdata met universiteiten in de regio. Het zou mooi zijn als HiSparc heel Nederland in één grote
deeltjesdetector kon veranderen.
Volgens Van Baal zit de meeste kosmische straling braaf onder de GZK-grens. De zon kan bijvoorbeeld zeker niet meer 1016 eV
in zijn straling stoppen. Het overgrote deel van zonnestraling heeft een veel lagere energie. "Dé puzzel is nu: waar komt die
straling boven de GZK-limiet vandaan?" Volgens de hoogleraar kan ook Hisparc die overtreders oppakken. "We hebben zo'n
uitschieter ook in Nederland waargenomen, met de HiSparc-detectoren in Nijmegen", zegt hij." Waar de theorie-brekers
vandaan komen weet Van Baal niet zeker. Speculaties genoeg, maar er zijn nog niet genoeg gegevens om iets definitiefs te
kunnen zeggen.
HiSparc-detectoren op het dak van de Leidse Natuurkunde-faculteit. bron: Lorentz instituut, HiSparc. Klik op de afbeelding voor een
grotere versie.
Volgens sterrenkundigen kan zelfs een gammaflits, de explosie van een zware ster als hypernova, geen deeltjes versnellen tot
voorbij de GZK-limiet. Stellaire processen missen eenvoudig de kracht om zoveel energie in één deeltje te stoppen. Alleen
katapultbanen rond een extreem groot zwart gat zoals in een quasar leveren volgens de theorie voldoende energie. Quasars zijn
de heldere kernen van jonge sterrenstelsels en staan allemaal op enorme afstand van de aarde: 240 tot 5500 megaparsec ver.
Dat is ruim voorbij de afstand waarin de microgolf achtergrond zulke straling afremt.
Spoken
"Je hebt hier een mooie tegenspraak tussen theorie en waarnemingen", zegt Van Baal met plezier. "Er klopt iets niet helemaal in
ons model van kosmische straling. Misschien zien we iets over het hoofd." Eén van de hypotheses in de natuurkundige
gemeenschap is, dat de kosmische straling van hoge energie een weg rond de microgolf achtergrond heeft gevonden. Onze
detectoren zouden dan indirect spoken zien: neutrino's.
De fotonen in de microgolfstraling kunnen fotonen en geladen atoomkernen afremmen, omdat ze allemaal gevoelig zijn voor de
elektromagnetische kracht. Niet alle subatomaire deeltjes reageren op die kracht. Neutrino's bijvoorbeeld zijn ladingsloze
deeltjes die in grote hoeveelheden ontstaan bij kernreacties in de zon, super- en hypernovae. Ze kunnen enorme energieën
bereiken, maar glippen als spoken door allerlei materie heen.
Neutrino's zijn overal, maar ze reageren zó zelden met normale materie, dat er in een heel leven maar een stuk of drie met een
mens botsen. En dat ondanks en immense hagel van neutrino's die de zon als bijproduct van zijn kernfusie aanmaakt: per
seconde razen er een biljard (1015) neutrino's door ons lichaam. Naar schatting produceerde de Oerknal zoveel neutrino's, dat er
nu nog zo'n 150 per kubieke centimeter ruimte zijn. Een ware mist van spookdeeltjes. In gigantische deeltjesdetectors als de
Japanse Super Kamiokande worden er een paar per jaar gevangen als ze botsen met het ultrazuivere water in de detector. De
wand van het bassin is16 meter breed en is behangen met fotocellen die de lichtflitsjes van zulke botsingen waarnemen.
bron: Super Kamiokande.
"Een interessante hypothese die ik laatst tegenkwam is dat hypersnelle neutrino's de uitschieters in de kosmische straling
veroorzaken", vertelt Van Baal. De neutrino's zouden ver weg ontstaan en ongehinderd door het heelal reizen. Heel zelden
kunnen ze botsen met neutrino's in de neutrino achtergrond; de oerknal straalde niet alleen licht uit, maar ook neutrino's. Net
als de microgolf achtergrond is de neutrino achtergrond een nagloeier van de Oerknal. En net als de microgolf achtergrond kan
de neutrino achtergrond deeltjes dwingen te vervallen in een fontein van andere deeltjes. In deze verklaring brengen de
neutrino's energie van een verre bron dichtbij de aarde en zetten die daarna om in 'normale' kosmische straling.
"Het mooie aan dit mechanisme is, dat het een ingebouwde voorkeur heeft om straling rond de 1020 eV te produceren", aldus
Van Baal: "Reken je namelijk door wat er gebeurt als een supersnel en een bijna stilstaand neutrino op elkaar botsen, dan blijkt
daar een Z-deeltje bij betrokken te zijn." Het verval van neutrino's via het Z-deeltje, dat de zwakke wisselwerking overbrengt,
komt vooral voor als de deeltjes met een energie rond de 1020 eV op elkaar knallen. Precies het energieniveau van de
uitschieters boven de GZK-limiet. Dé verklaring voor al te harde kosmische straling is dus misschien: we zien gewoon spoken.