Thema
Buitenaards

Met IceCube het spookdeeltje achterna

 

Wist je dat er elke seconde 100 biljoen (100.000.000.000.000) neutrino’s door ons lichaam vliegen? Toch blijven deze spookdeeltjes een mysterie dat we maar moeilijk kunnen doorgronden. Het Interuniversity Institute for High Energies (IIHE) van de VUB zoekt samen met 57 andere instituten naar antwoorden met het IceCube Neutrino Observatory.

 

Meer dan 1000 meter onder het oppervlak van de zuidpool bevindt zich een detector die op zoek is naar neutrino’s. Deze deeltjes vertonen nauwelijks een wisselwerking met gewone, alledaagse materie: ze gaan er dwars doorheen. Daardoor kunnen ze vanuit de verste uithoeken van het heelal vlot onze aarde bereiken en ons nieuwe informatie toestoppen. Maar net omdat ze zo weinig interageren, zijn neutrino’s ook erg moeilijk op te sporen. Daarom sloegen wetenschappelijke instituten van over de hele wereld de handen in elkaar om op de zuidpool het allereerste neutrino-observatorium te bouwen: IceCube.  

Energetische botsingen

Alles bestaat uit deeltjes: protonen, neutronen, elektronen, fotonen, neutrino’s ... Simpel gezegd zijn protonen en neutronen de deeltjes in de kern van een atoom, met respectievelijk een positieve en geen lading. Elektronen hebben een negatieve lading en cirkelen rond de atoomkern. Fotonen, die we voornamelijk zien als de partikels die lichtstralen vormen, hebben geen lading en zijn de meest voorkomende deeltjes in ons heelal. Op de tweede plaats in die lijst staan neutrino’s.

“We noemen neutrino’s ook wel de astrofysische boodschappers. Ze zijn heel klein, hebben nauwelijks massa, dragen geen lading en gaan overal doorheen: de zon, de aarde en zelfs de mens”, zegt professor Nick van Eijndhoven. “Ze werken erg zwak op materie in en kunnen lange tijd informatie over hun oorsprong meedragen. Neutrino’s ontstaan namelijk als het bijproduct van botsingen. Hoe meer energie er bij een botsing aanwezig was, hoe meer energie de neutrino’s hebben. Dat drukken we uit in TeV, tera-elektronvolt.”

“Neutrino’s die in onze atmosfeer ontstaan, atmosferische neutrino’s, hebben een energiebereik tot zo’n 20 TeV, waarna hun intensiteit drastisch afneemt. Hoge-energie-neutrino’s ontstaan uit grote ontploffingen en dragen tot wel 1.000 TeV energie mee. Ook die neutrino’s observeren we regelmatig. De hoogst mogelijke energie vind je terug bij kosmische neutrino’s. Die ontstaan wanneer protonen versnellen en daardoor een steeds hogere energie krijgen, bijvoorbeeld bij het uiteenspatten van een zware ster. Bij hun tocht door het heelal komen de hoogenergetische protondeeltjes in aanvaring met de achtergrondstraling van het heelal. Als die hen kapot slaat, komen er kosmische neutrino’s vrij, die tot 100.000 TeV energie kunnen meedragen. In theorie dan, want tot nu toe hebben we nog geen neutrino’s met een energie van meer dan 10.000 TeV opgevangen.”

“Mijn onderzoek focust op neutrino’s die het gevolg zijn van ontploffingen, bijvoorbeeld als neutronsterren samensmelten. Daarmee heb ik zelf het startsein gegeven voor een nieuw onderzoeksdomein: de astrodeeltjesfysica. De astronomie kijkt naar het heelal via lichtstralen en radiogolven, maar het licht dat vrijkomt bij ontploffingen wordt gestopt door objecten, en geladen deeltjes buigen af als ze door een magneetveld gaan, waardoor ze niet meer terugwijzen naar hun bron. De deeltjesfysica laat deeltjes op elkaar botsen, waardoor er onder andere neutrino’s ontstaan. Combineer de twee en we vinden, hopelijk, welke fysische processen verantwoordelijk zijn voor de meest energetische fenomenen in het universum.”

Neutrino’s zijn uitstekende astrofysische boodschappers. Ze gaan overal doorheen: de zon, de aarde, de mens
Nick van Eijndhoven

Verstoppertje onder het ijs

De opdracht lijkt dus makkelijk: wetenschappers moeten gewoon neutrino’s observeren. “Helaas worden neutrino’s niet voor niets ‘spookdeeltjes’ genoemd: ze zijn enorm moeilijk te detecteren”, aldus Nick van Eijndhoven. “We kunnen berekenen hoe vaak ze voorkomen (héél vaak) of hoe vaak ze een interactie hebben (héél zelden). Per miljard neutrino’s die ons bereiken, kunnen we er maar een paar waarnemen. Die zeldzame keer dat we ze detecteren, zien we wel wat ze doen en kunnen we nagaan waar ze vandaan komen. Maar hoe dat alles komt? Daarvan hebben we nog geen idee.”

“De eerste stap naar meer kennis is meer data. Die verzamelen we met de neutrinodetector IceCube op de zuidpool. IceCube bestaat uit een constructie van een kubieke kilometer optisch helder ijs, waarin 86 verticale kabels elk 60 digitale optische modules (DOM’s) vasthouden. Die modules bevatten op hun beurt extreem gevoelige lichtsensoren. Samen met nog eens 324 DOM’s op het oppervlak gaan ze op zoek naar neutrino-interacties in het ijs. Elke dag detecteert IceCube zo’n 275 miljoen kosmische stralen en ongeveer 275 atmosferische neutrino’s. Maar hoe meer energie de neutrino’s hebben, hoe minder vaak ze voorkomen.”

“Bij de hoogste energie nemen we gemiddeld één proton per vierkante kilometer per eeuw waar. Wetenschappers zijn geduldige wezens, maar zo lang wachten op resultaat is zelfs voor ons wat te veel van het goede. Wil je meer deeltjes observeren, dan moet je het oppervlak uitbreiden: op 100 km² zie je één deeltje per jaar, op 1.000 km² zelfs 10. Omdat zo’n constructie heel duur is, gaan we nu ook op een andere manier te werk.”

Licht kun je in het ijs tot over een afstand van ongeveer 300 m waarnemen, maar radiogolven worden nog tot afstanden van een kilometer opgepikt. Door over te stappen naar radioantennes als detecteergereedschap, kun je dus veel goedkoper een groter terrein onderzoeken. “Het FWO steunt ons zowel bij het onderzoek als bij de creatie van de radioapparatuur. In de zomer van 2021 hebben we in Groenland de eerste antennes geplaatst van een nieuw Radio Neutrino Observatory, het RNO-G. Er zijn al zeven detectiestations van elk 24 antennes in het ijs geplaatst, telkens ongeveer 1,5 kilometer van elkaar. De volledige detector zal uit 35 stations bestaan, waarmee we een domein van zo’n 50 km² kunnen bekijken. Eens we op de zuidpool een gelijkaardige detector opstellen, zullen we de volledige hemel kunnen zien.”

Vele observatoria maken licht werk

Het einddoel van die radio-observatoria is het opsporen van kosmische neutrino’s. “Daarmee bevinden we ons in het veld van de experimentele fysica. Ons startpunt is de wetenschap dat er in het heelal bronnen van hoogenergetische neutrino’s bestaan. Met onze metingen willen we die in een model gieten en misschien zelfs tot een indeling of index komen.”

“Om onze doeltreffendheid te vergroten, werken we met heel wat andere organisaties samen. Als de NASA-telescopen een lichtflits opmerken, krijgen wij een waarschuwing. Behalve neutrino’s komt er bij ontploffingen namelijk ook licht vrij. We gaan dan met de waarschuwing van NASA in onze opgeslagen data na of we via de timestamp een gedetecteerde neutrino kunnen linken aan die ontploffing.”

“Daarnaast hebben we een overeenkomst om waarschuwingen uit te vaardigen en gegevens uit te wisselen met LIGO in de VS en Virgo in Italië, twee observatoria die naar zwaartekrachtgolven speuren. Hoewel de specifieke bronnen van de kosmische neutrino’s voorlopig nog een mysterie blijven, verwachten we namelijk wel dat ze voortkomen uit dezelfde cataclysmische verschijnselen die ook zwaartekrachtgolven veroorzaken.”
 

Bij de hoogste energie nemen we gemiddeld één proton per km² per eeuw waar. Zo lang wachten is zelfs voor wetenschappers te veel
Nick van Eijndhoven

Grote doelen

“Dankzij die samenwerkingen hebben we al enkele specifieke neutrino’s gelinkt aan hun bron. Eind 2022 zijn we er zo in geslaagd om hoge-energie-neutrino’s toe te wijzen aan het spiraalstelsel Messier 77, dat in het sterrenbeeld Walvis (Cetus) ligt. Die vaststellingen roepen echter ook heel wat vragen op: de bronnen die we tot nu toe aan neutrino’s hebben gekoppeld, verklaren niet de hoeveelheid neutrino’s die we momenteel met IceCube waarnemen.”

“We vermoeden ook dat neutrino’s ons meer kunnen vertellen over de aard van donkere materie – materie die massa toevoegt aan sterrenstelsels maar die we voorlopig nog niet kunnen detecteren -  en over de centra van verduisterde objecten in de ruimte. Die objecten hebben namelijk een soort wolk van stofdeeltjes rond hun kern, een ideale omgeving waarin veel neutrino’s kunnen ontstaan. Om die te bestuderen, moeten we wel veel meer neutrino’s kunnen terugbrengen tot één enkele bron.”

“De mogelijkheden van neutrino’s zijn zowat eindeloos. Ze kunnen verklaren hoe het komt dat zwarte gaten sommige van de krachtigste lichtemissies in het heelal aandrijven, of tonen wat aan de bron van kosmische straling ligt. Zelfs hoe sterren leven en sterven dragen neutrino’s in zich mee. Maar alles op z’n tijd: met onze radiodetectoren kunnen we binnenkort hopelijk onze eerste kosmische neutrino meemaken. Waar de tocht ons daarna heen zal brengen, dat weet alleen het spookdeeltje."

Neutrino’s in de praktijk

Neutrino’s vertellen ons niet alleen meer over de ruimte, ze worden ook op aarde ingezet.

* In theorie zouden neutrino’s als informatiedragers kunnen fungeren, als radiogolven bijvoorbeeld geen optie zijn. Maar net het gemak waarmee neutrino’s tussenkomsten ontwijken, vormt hier ook het grootste obstakel: slechts een fractie van de neutrino’s die een boodschap meedragen, zouden we echt kunnen opvangen.

* Een toepassing die vandaag wel al mogelijk is, vinden we bij de atmosferische neutrino’s. “Die zijn in enorme aantallen aanwezig, waardoor we ze kunnen gebruiken om een soort röntgenfoto van de aarde te maken. We meten hoe talrijk ze zijn op elke locatie en bepalen via de intensiteitsverschillen de interne structuur en samenstelling van onze planeet.”

* Neutrino’s bestaan in drie ‘smaken’, die in elkaar kunnen overgaan: elektron-, muon- en tau-neutrino’s. Van die muon-deeltjes weten we dat ze over lange afstanden door materie kunnen reizen als ze worden versneld. “Daardoor kunnen we de dichtheid van constructies bepalen. Deze techniek, muografie, wordt gebruikt om na te gaan waar zich in piramides open ruimtes bevinden, zonder dat we de piramide zelf moeten betreden. Ook de activiteit van vulkanen zoals de Vesuvius wordt via muografie in de gaten gehouden, en na de kernramp in Fukushima was het een vergelijkbare methode die ons zekerheid gaf over de toestand van de nucleaire reactoren.”