Ongenaakbaar en hot

Op de Zuidpool speuren wetenschappers naar neutrino’s uit supernova’s en zwarte gaten. Hier komen het grootste en het kleinste in de kosmos samen. Margriet van der Heijden

“Nee, het is niet de kou”, zegt Martijn Duvoort, promovendus bij het Sterrekundig Instituut in Utrecht. Want och, veertig graden onder nul, dat wordt het in Canada in de winter ook. Wat het werken op de Zuidpool wél zwaar maakt, zegt hij, zijn de hoogte (2.800 meter), de lage druk en de droogte. Die maken je slap en vermoeid. En dan is er bovendien die krakend droge sneeuw, die zich in je schoenen lijkt vast te bijten. “Op verkenning gaan, een eind wandelen, daar zie je snel van af.”

In december 2005 reisde Duvoort naar de Zuidpool. Eerst vanaf Christchurch, Nieuw-Zeeland, met een Herculestoestel van het Amerikaanse leger naar het basiskamp McMurdo, aan de rand van de ijskap. Toen met een Hercules naar de geografische Zuidpool. Daar ligt het grote, naar de twee eerste Zuidpoolreizigers vernoemde Amundsen-Scott-Zuidpoolstation. Elke Zuidpoolzomer bivakkeren hier tweehonderd mensen. Sinds 2002 zijn daar ook steeds zo’n vijftig collega’s van Duvoort bij.

Met hulp van warm water boren zij elke poolzomer diepe (2.450 meter) gaten in het ijs. Ze laten daar lange slierten met glazen bollen in zakken. Zestig per sliert, elk zo groot als een basketbal. De bollen bevatten lichtsensoren en apparatuur die de signalen uit die sensoren digitaliseert. Binnen een paar dagen vriezen ze vast.

facetoog

Heel gestaag groeit zo een reusachtig ‘oog’ in het poolijs. Een facetoog, dat in 2011 uit 4.800 bollen moet bestaan, gelijkmatig verdeeld over ruim 80 slierten. Het zal een kubieke kilometer ijs bewaken. IceCube heet deze detector, waaraan 400 onderzoekers van 39 onderzoeksinstituten wereldwijd werken.

Kosten: ruim 270 miljoen dollar, waarvan ruim 80 procent voor rekening komt van de Amerikaanse National Science Foundation en Amerikaanse onderzoeksinstituten.

Doel: het registreren van de alleen zeer sporadisch opduikende neutrino’s uit de kosmos.

Het vangen van neutrino’s vereist zo’n grootse aanpak, zeggen de experts. Want neutrino’s zijn het ongenaakbaarst en daardoor het ongrijpbaarst van alle tot dusver ontdekte bouwstenen van de kosmos – van alle elementaire deeltjes dus die zijn ondergebracht in het zogeheten Standaard Model.

Dat komt doordat neutrino’s ongevoelig zijn voor drie van de vier krachten die volgens het Standaard Model de natuur regeren. Neutrino’s – deeltjes zonder inwendige structuur, die geen elektrische lading dragen en amper massa hebben – gaan volledig aan de elektromagnetische en de sterke kracht voorbij, en ook grotendeels aan de zwaartekracht. Ze voelen alleen de zwakke kracht, die een rol speelt in kernfusie, in natuurlijk radioactief verval en (soms) bij botsingen tussen atomen en hoogenergetische elektronen en muonen (de zwaardere broers van elektronen). Maar als neutrino’s in deze processen eenmaal zijn ontketend en met bijna de lichtsnelheid door het universum jakkeren, dan heeft ook de zwakke kracht er nauwelijks nog greep op.

Het gevolg is dat neutrino’s vrijwel steevast de andere materie in het universum negeren. Ze reizen er doorheen alsof er helemaal geen sterren en planeten en gaswolken bestaan. En ze laten amper sporen achter, ofschoon ze in ons heelal toch bijna even talrijk zijn als lichtdeeltjes, fotonen.

Ter vergelijking: terwijl u deze zin leest, vliegen er een biljoen neutrino’s met nagenoeg de lichtsnelheid door u heen. Maar toch zal gedurende uw hele leven hooguit één neutrino een spoor in uw lichaam achterlaten. Of zoals de theoretische natuurkundige Wolfgang Pauli het volgens overlevering zou hebben geformuleerd, toen hij in 1930 het bestaan van neutrino’s voorspelde: “Ik heb iets vreselijks gedaan. Ik heb een deeltje bedacht dat niet waargenomen kan worden.”

muon

Maar dat laatste is niet helemaal waar, want heel af en toe botst een neutrino toch op een atoomkern. En tijdens die aanvaring kan, onder invloed van de zwakke kracht, een elektron of een muon ontstaan, naast nog een stel kortlevende, andere deeltjes. En wie veel geduld heeft, en gevoelige meetapparatuur en ruimte genoeg, die heeft kans om zulke zeldzame botsingen waar te nemen.

Zo’n inspanning is de moeite waard, zeggen Duvoort en zijn begeleider, de Utrechtse astrodeeltjesfysicus Nick van Eijndhoven. Want dankzij hun onverstoorbaarheid zijn neutrino’s ook bijzondere informatiedragers, zeggen zij. Neutrino’s zijn de enige deeltjes die vanaf hun plek van herkomst rechtstreeks naar de aarde kunnen reizen. Ze raken onderweg niet verstrikt in hete plasma’s, gloeiende gaswolken of andere materie. Ze raken niet uit koers door elektrische en magnetische velden. Duvoort: “Ze wijzen in rechte lijn terug naar hun bron.” Van Eijndhoven: “Je kijkt in de loop.”

En die loop, de plek van herkomst, is interessant voor astronomen en kosmologen. Neutrino’s ontstaan onder meer bij kernfusieprocessen in het binnenste van sterren zoals de zon, en zulke neutrino’s zijn op aarde al gemeten. Maar daarnaast komen er volgens de theorie ook neutrino’s vrij wanneer zware sterren aan het einde van hun leven in een supernova-explosie ineenstorten. En er ontstaan neutrino’s bij deeltjesbotsingen rond actieve zwarte gaten in het hart van melkwegstelsels en in de nog raadselachtige gamma-uitbarstingen. Ofwel: de lichtste van alle tot dusver waargenomen deeltjes kunnen unieke informatie verschaffen over de meest energierijke en grootschalige fenomenen in het heelal.

En misschien, speculeren neutrino-onderzoekers, kunnen neutrino’s zelfs een kosmisch raadsel helpen ophelderen: dat van de onzichtbare en onbekende donkere materie in het heelal. Stel dat die donkere materie, zo redeneren zij, bestaat uit deeltjes die net als neutrino’s alleen heel zwak reageren op andere materie, en die daarom tot nu toe aan onze aandacht zijn ontsnapt. Zulke deeltjes, vaak aangeduid als WIMPs (weakly interacting massive particles) zouden zich onder invloed van de zwaartekracht onder meer ophopen in het binnenste van sterren. Twee WIMPs zouden daar dan elkaar kunnen vernietigen onder het uitzenden van hoogenergetische neutrino’s. Van Eijndhoven: “En die zouden waarneembaar zijn in detectoren als IceCube.”

Het idee achter IceCube is dat er ook heel af en toe een neutrino op een atoom in het Zuidpoolijs botst. Het elektrisch geladen muon dat dan ontstaat, reist in vrijwel dezelfde richting verder als die waarin het neutrino aankwam. En in een transparant materiaal als water of mooi zuiver ijs zendt zo’n geladen deeltje een kegel uit van blauw licht. Cerenkovlicht heet het. IceCube is ontworpen om juist dát licht in het vizier te krijgen.

“Er is wel een complicerende factor”, zegt Van Eijndhoven. In zijn werkkamer op het uitgewoonde Utrechtse Buys Ballotlaboratorium pakt hij er een tekening van IceCube bij. “Hoog in de atmosfeer”, wijst hij, “waar kosmische deeltjes op de dampkring inslaan, ontstaan tijdens daaruit voortvloeiende vervalprocessen ook voortdurend neutrino’s en muonen.” En in IceCube, zegt Van Eijndhoven, terwijl hij met zijn vinger de schematisch weergegeven deeltjessporen volgt, geven die muonenregens ongeveer duizend signalen per seconde. “Een zeldzaam neutrinosignaal valt daarbij helemaal in het niet.”

Daarom kijkt IceCube ook niet omhoog, naar de hemel boven het poolijs die zo vol stoorzenders zit. Van Eijndhoven: “IceCube kijkt de andere kant op, naar de noordelijke hemel.” Dan zit namelijk de aarde er nog tussen. “En de aarde is onze buffer.” De aarde absorbeert de storende deeltjes.

Neutrino’s passeren de aarde wél ongehinderd en onverstoorbaar. En zorgen daarna, heel soms, voor een herkenbaar lichtflitsje in het ijs. “In een kubieke kilometer ijs gebeurt dat ongeveer driehonderd keer per dag”, schat Van Eijndhoven. “Maar het merendeel van die neutrino’s is niet interessant, omdat ze zijn ontstaan in de noordelijke atmosfeer. Neutrino’s van ver uit de kosmos, daarvan verwachten we er maar 25 per jaar.”

Zulke neutrino’s zijn herkenbaar aan hun hoge energie en de bijbehorende karakteristieke lichtkegel. Het zorgvuldig scheiden van deze gebeurtenissen van alle achtergrondruis is een cruciaal en tijdrovend onderdeel van de data-analyse. Satellieten, zoals de Swift- en Glastsatellieten die gamma-uitbarstingen in de kosmos registreren, helpen daarbij. Zij wijzen IceCube afgebakende plekken aan om naar neutrino’s te zoeken.

proefoog

Voorlopig is er, op luttele neutrino’s uit een supernova-explosie na, nog nooit een neutrino uit de kosmos opgespoord. Niet in IceCube, en ook niet in zijn tegenhanger op het noordelijke halfrond: de Antaresdetector die door Europese onderzoeksinstellingen is gebouwd (kosten: 20 miljoen euro).

Toch wordt Maarten de Jong, bijzonder hoogleraar astrodeeltjesfysica in Leiden en co-spokesman, ‘onderdirecteur’ zeg maar, van het Antaresexperiment, daar niet pessimistisch van. Integendeel. “Neutrino’s hebben de toekomst”, zegt hij monter.

De Antaresdetector is in feite een ‘proefoog’, zegt De Jong. Net als IceCube kijkt Antares door de aarde heen naar beneden. Naar de zuidelijke hemel dus, in dit geval. En ook Antares is een facetoog, opgebouwd uit lange slierten met glazen bollen eraan. Alleen hangen die niet diep in het ijs, maar diep in het zoute water van de Middellandse zee – veertig kilometer uit de Franse kust bij Toulon. Ze beslaan daar een veel kleiner volume: Antares is ruim twintig keer kleiner dan IceCube. De detector is ongeveer even groot als de voorganger van IceCube, het proefexperiment Amanda.

De Jong: “Hopelijk mogen we binnen afzienbare tijd beginnen aan een veel grotere opvolger.” Die moet dan neutrino’s gaan vangen in één en misschien nog wel meer kubieke kilometer zeewater. Km3Net heet hij.

Voor Antares is intussen op het NIKHEF, het Nederlandse instituut voor deeltjesonderzoek in Amsterdam, alweer een tijdje een controlekamer ingericht. De kamer staat rechtstreeks in verbinding met de bedieningskamer in Toulon. “Op de beeldschermen kunnen we de onderwaterrobot volgen, wanneer die op de zeebodem aan het werk is”, zegt De Jong. “En hem zonodig opdrachten geven”.

Telewerken past bij dit type experiment, vervolgt hij. De glazen bollen verzamelen de gegevens toch al diep onder water of in het ijs. “En of je die data dan bekijkt op de Franse kust, op de poolkap of op een heel ander continent, maakt dan niet meer uit.”

Klopt, vindt Van Eijndhoven van IceCube, die zelf nog nooit naar de Zuidpool is afgereisd. Sterker, vertelt hij: zelfs de bedenker en leider van IceCube, de bekende fysicus Francis Halzen, is nog steeds niet naar zijn hersenspinsel in het ijs gaan kijken.

Maar zijn er, als de meetgegevens toch al de aarde rondgaan, dan wel twee van die grote experimenten nodig? Ze hebben in elk geval beide hun voors en tegens, vinden Van Eijndhoven en De Jong.

In het poolijs wordt het Cerenkovlicht meer verstrooid dan in water en dat geeft een onzekerheid in de gemeten karakteristieke hoek van de lichtkegel. In het zoute water van de Middellandse zee zorgen natuurlijke radioactiviteit (kaliumverval) en microben voor storende lichtflitsjes. “Maar die kunnen we goed wegfilteren”, zegt De Jong.

De IceCubedetector op de Zuidpool staat stil, terwijl de aarde draait, en kijkt dus steeds onder dezelfde hoek naar de hemel. De Antaresdetector staat op een lagere breedtegraad en draait met de aarde mee. “Maar zo tasten we een groter stuk van de hemel af”, zegt De Jong. Deze detector kan ook het actieve zwarte gat in het centrum van het Melkwegstelsel zien.

In elk geval moeten de onderzoekers van Antares en IceCube in de toekomst in Km3Net hun ervaring bundelen, vindt Van Eijndhoven. “We zijn geen concurrenten van elkaar. De twee experimenten zijn complementair. De een kijkt naar het noorden, de ander naar het zuiden,” zegt hij. “Maar Km3Net moet uiteindelijk wel de grootste en gevoeligste worden”, zegt de Jong.

souvenir

En Martijn Duvoort, wat gaat hij doen als zijn promotieonderzoek is afgerond? Blijft hij naar neutrino’s zoeken? Hij weet het nog niet, zegt hij, terwijl hij in zijn eigen werkkamer foto’s op zijn beeldscherm tevoorschijn klikt van sneeuwvelden, besneeuwde bergkammen en loodsen in de sneeuw. “Meedoen aan zó’n experiment is natuurlijk een prachtige ervaring.”

Maar kiezen voor een wetenschappelijke carrière daarna, is ook kiezen voor onzekerheid. Zeker in het begin. Met kortlopende contracten, in verschillende landen bovendien.

“Kijk”, zegt hij, en schuift een grote kartonnen doos onder zijn werktafel vandaan. Veilig opgeborgen in schuimrubber ligt daar een van de grote glazen bollen uit het IceCube-experiment. Een kapot exemplaar, maar met sensoren en elektronica en al. Duvoort kreeg hem als aandenken van zijn collega’s mee. “Als ik toch wat heel anders ga doen, dan zet ik deze als souvenir in mijn huis neer.”

Voor meer informatie over IceCube en Antares, zie:icecube.wisc.edu en antarses.in2p3.fr