Jagen op het deeltje van vijf miljoen

De kleinste deeltjes van de kosmos zijn neutrino’s, ze gaan overal doorheen. Diep onder de Apennijnen hopen fysici de transformatie van een muon- in een tau-neutrino waar te nemen.

Bas Mesters

Een busje met fysici en ingenieurs duikt een ruim tien kilometer lange tunnel in. De tunnel loopt dwars onder de Gran Sasso door, de hoogste Apennijnentop. Terwijl andere automobilisten hun reis over de autoweg A24 naar het einde van de tunnel voortzetten, slaat het busje halverwege rechtsaf. Een hoge poort in de rots opent zich. Het is de toegang tot het grootste ondergrondse laboratorium ter wereld. Een plek bedekt door 1.400 meter rotsen van waaruit kosmologen en deeltjesfysici naar het universum kijken.

Lange, koude en vochtige gangen verbinden de drie laboratoria met elkaar – elk zijn ze honderd meter lang, twintig meter breed en twintig meter hoog. De temperatuur en luchtvochtigheid in de experimenteerruimten wordt gecontroleerd. „Hier onder de grond heerst diepe kosmische stilte”, vertelt onderzoeker Roberta Antolini.

De rotsen beschermen de laboratoria tegen kosmische straling, de regen van miljarden en miljarden deeltjes die elke seconde op de aarde valt. De werkruimte is ook zo goed als gevrijwaard van radioactiviteit, omdat het gesteente van de Apennijnen nauwelijks radioactief is. Een perfecte omgeving om zonder ruis onderzoek te doen naar ‘spookmaterie’, naar onbekende deeltjes die zich in het universum moeten bevinden, én naar de kleinste en lichtste bekende deeltjes in de kosmos: neutrino’s die als enige dwars door de rotsen langs dit laboratorium scheren. Kennis over de donkere materie en neutrino’s leidt tot meer inzicht in het ontstaan van het universum en de sterren en in het uiteindelijke lot van de kosmos. Zo hangt het onderzoek naar de kleinste elementaire deeltjes en hun gedrag samen met het onderzoek naar de grootste structuren in het heelal.

Hier onder de grond worden vijftien experimenten gedaan. Een deel daarvan is gericht op de neutrino’s die de zon, andere sterren en supernova’s met talloze miljarden per seconde produceren. Maar er is ook onderzoek naar kunstmatig gemaakte neutrino’s. Sinds enkele weken jaagt het Europese onderzoekscentrum voor deeltjesonderzoek, het Cern in Genève, een bundel met dagelijks duizenden miljarden neutrino’s onder de grond naar het Gran Sasso laboratorium. Het is het begin van een gigantisch experiment dat zeven jaar gaat duren en ruim 70 miljoen euro kost. De zogeheten muon-neutrino’s passeren de stad Florence op een diepte van 11,4 kilometer. Niets houdt hen tegen. Ze leggen de 732 kilometer tussen Geneve en Gran Sasso in twee milliseconden af.

De onderzoekers hopen dat enkele van de muon-neutrino’s zich onderweg zullen transformeren in een iets zwaarder type, de tau-neutrino’s. Een dergelijke gedaantewisseling of ‘oscillatie’ zou niet alleen definitief bevestigen dat neutrino’s massa hebben, maar ook helpen bij het vaststellen van die massa. „Dat is heel belangrijk”, zegt Eugenio Coccia, hoogleraar astrofysica en directeur van het laboratorium van Gran Sasso. „Het neutrino lijkt een sleuteldeeltje om te begrijpen hoe het universum is geboren en misschien ook om te bepalen wat het lot zal zijn van het universum.”

In hal C is men druk in de weer om de laatste hand te leggen aan een van de twee detectoren die de neutrino’s uit Cern moeten opvangen. In een pikdonkere ruimte waar alleen een paar infraroodlampen branden, persen robots loden blokken met in elk daarvan 57 lagen fotografisch papier met een lichtgevoelige emulsie. Een blok ter grootte van een pak suiker weegt acht kilo.

Een andere gigantische robot moet het komende half jaar 206.000 van deze blokken in een muur van zeven bij zeven bij dertien meter plaatsen. Dit is de zogeheten Opera-detector. De hoop is dat twee keer per jaar een tau-neutrino daarin wisselwerkt. In dat geval reageert het tau-neutrino via de zwakke kracht – die in de praktijk niet vaak zijn kracht laat gelden – met een van de loodatomen. En dat laat een karakteristieke handtekening van licht na op het fotopapier.

De robot zal dan het blok uit de muur halen zodat fysici de afdruk onder de loep kunnen nemen. Vijftien tau-neutrino’s zijn nodig om definitief de massa van deze deeltjes vast te stellen. Daarom zal het onderzoek zeven jaar duren.

Een lange tijd, erkent ook Coccia. Maar neutrino’s bewaren veel geheimen. „Fysici zijn gefascineerd door dit deeltje. Om deze kleinste deeltjes te meten heb je heel veel geduld en de grootst mogelijke meetinstrumenten nodig. Juist daarom ook hebben we de afgelopen dertig jaar gigantische ondergrondse laboratoria gebouwd. Want alleen onder de rotsen kun je het universum bestuderen zonder storing van de kosmische straling.” Alleen van onder de grond zijn de kleinste bouwstenen van de kosmos te doorgronden.