Kosmosflitsen meten

In de zee voor de kust van het Franse Toulon ‘zwemmen’ slierten met glazen bollen.

Ze meten lichtflitsjes uit de kosmos, die een nieuw zicht kunnen geven op het heelal.

Slierten (350 meter lang) met glazen bollen detecteren lichtflitsen van neutrino’s in zee. Illustratie F. Montanet Montanet, F.

„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’. Andere grote detectoren om minuscule deeltjes, bouwstenen van de materie, mee waar te nemen, bestaan uit verschillende componenten, elk met hun eigen functie. 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 groten 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 2.400 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 meting zijn. De Jong: „Omdat de slierten in zee langzaam heen en weer wiegen, moeten we steeds opnieuw hun onderlinge posities vaststellen.”

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 níét zien.