Honderden bollen jagen op botsende spoken – onder water

In de haven van het Zuid-Franse La Seyne-sur-Mer ligt de Castor 02, een klein werkschip. Op het dek staan twee bolvormige frames van twee meter hoog. Om elk frame zit een 200 meter lange lijn gewikkeld met achttien doorzichtige bollen. Elke bol bevat 31 lichtdetectoren.

Het is een grijze, maar windstille zaterdagochtend in januari. De missie: de twee frames neerlaten in de Middellandse Zee. Op veertig kilometer uit de kust bij Toulon en op tweeënhalve kilometer diepte, gaan de bollen deel uitmaken van KM3NeT, een deeltjesdetector die gaat speuren naar de meest ongrijpbare deeltjes in het universum: neutrino’s.

Je merkt er niets van

Neutrino’s zijn superlicht en zoeven bijna overal ongemerkt doorheen. Ze razen door het heelal en elke seconde vliegen er ongeveer honderd miljard neutrino’s door je duim. Hier merk je niets van omdat ze bijna nooit botsen met andere deeltjes. Neutrino’s trekken zich weinig aan van de materie.

Neutrino’s ontstaan grofweg op vier manieren. Tijdens reacties in kernreactoren of in de zon, wanneer kosmische straling op moleculen in de atmosfeer botst, in deeltjesversnellers en bij spectaculaire gebeurtenissen in het verre heelal, zoals wanneer sterren botsen of in een supernova uit elkaar spatten. Als je het pad van die verre neutrino’s precies zou kunnen volgen, zou je iets kunnen leren over de astronomische bronnen die ze produceren. Neutrino’s bieden zo een nieuw venster op het heelal.

Maar dan moet je ze wel onderscheppen. Dat is de reden dat de detectorbollen diep in zee geplaatst worden. Heel af en toe botst een neutrino tóch op een molecuul. Hoe meer moleculen hoe groter de kans op een botsing. En diep onder water, ijs of de grond zijn er weinig verstorende effecten van andere deeltjesbotsingen. Bij een botsing tussen een neutrino en een watermolecuul ontstaat een deeltje dat een lichtspoor in het water achterlaat. Dat zwakke licht kunnen de detectorbollen van KM3NeT meten. Door veel bollen op een vaste afstand van elkaar in de zee te plaatsen, kunnen fysici het lichtspoor reconstrueren om zo eigenschappen als de energie en richting van het neutrino te bepalen.

KM3NeT is niet de enige neutrinodetector die gebruikmaakt van natuurlijke detectiematerialen. In het ijs van Antarctica bevindt zich IceCube, die met duizenden lichtdetectoren speurt naar neutrino’s die botsen in het ijs. Deze detectoren proberen, samen met tientallen andere, in mijnen of elders onder de grond, neutrinoraadsels op te lossen. Fysici begrijpen bijvoorbeeld nog niet hoe het kan dat neutrino’s van ‘smaak’ veranderen. En het is nog nooit gelukt de massa’s van neutrino’s te meten.

Iets na negen uur ’s ochtends vertrekt het schip uit de haven. De verwachting is vanmiddag om één uur te beginnen met het neerlaten van het eerste frame met bollenlijn, vertelt Patrick Lamare van het Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM), die de operatie leidt. De bemanning zal het frame langzaam, in ongeveer twee uur, naar de bodem laten zakken. „We zullen 24 uur per dag doorwerken, in shifts. Als alles goed gaat zijn we zondagavond weer terug aan de wal.” Later blijkt dat een optimistische inschatting.

De afkorting KM3NeT staat voor Cubic Kilometre Neutrino Telescope. Het zeewater en detectorbollen vormen samen een neutrino-telescoop die kubieke kilometers zal beslaan. De telescoop is verdeeld over twee locaties: een bij de kust van Italië, met 230 bollenlijnen, en de compactere Franse locatie, waar op een oppervlak van 250 bij 250 meter 115 lijnen komen. Tijdens het weekend in januari worden de vijfde en zesde Franse lijnen geplaatst. De eerste vier lijnen zijn daar afgelopen zomer al neergelaten.

Akoestische navigatie

Op de Castor 02 zijn, behalve de bemanning, acht ingenieurs aanwezig. Verder aan boord: technisch projectmanager Miles Lindsey Clark, fysica- en softwaremanager (ook actief twitteraar en fotograaf) Paschal Coyle, fysicus Ernst-Jan Buis van het Nederlandse TNO en ikzelf.

Naast TNO zijn er nog andere Nederlandse organisaties betrokken bij KM3NeT. Het Amsterdamse onderzoeksinstituut Nikhef heeft de detectorbollen ontworpen en bouwt een groot deel ervan. De bollen van vijf van de eerste zes lijnen zijn in Amsterdam gemaakt.

Zodra we op zaterdagmiddag boven de locatie dobberen, laten drie ingenieurs een apparaat in het water zakken dat onder andere de temperatuur meet. „De snelheid van geluid in water is afhankelijk van de watertemperatuur”, zegt Marie Noelle Fabre van het bedrijf iXblue. De locatie van de bollenlijnen wordt gemeten met geluid, omdat onder water GPS niet werkt en lichtsignalen niet ver genoeg reiken.

Als alle akoestische meetsystemen gereed zijn, kan het eerste frame te water. Het zoute water en de hoge druk op tweeënhalve kilometer diepte eisen veel van de bollenlijnen. De bollen zijn daarom van hogedrukbestendig glas en het slangetje waarin de kabels zitten die de bollen onderling verbinden, is gevuld met olie.

Als het frame onder water verdwenen is, verzamelen de ingenieurs zich in een container om de afdaling van het frame te volgen via de akoestische systemen. De bollenlijn zit vast aan een anker, dat ervoor zal zorgen dat de lijn op de juiste plek komt te hangen. De lijnen komen twintig meter uit elkaar. Het anker kan dankzij de meetsystemen binnen een meter nauwkeurig op de zeebodem geplaatst worden.

Bijzondere constructie

Eenmaal op de bodem zal de bollenlijn van het frame afgerold worden. Aan de bovenkant van de lijn zit een oranje boei waardoor de lijn verticaal in het water hangt. De complete KM3NeT wordt een bijzondere constructie, een soort bos van 115 lijnen met bollen die zachtjes meedeinen op de diepzeestroming.

Elke bol heeft een hydrofoon (microfoon voor onder water), vertelt Ernst-Jan Buis. „Daarmee worden de posities van de lijnen tot op enkele centimeters nauwkeurig bepaald. Dat is nodig om te lichtsporen netjes te reconstrueren.”

Het bestaan van neutrino’s werd voorgesteld door de Oostenrijkse fysicus Wolfgang Pauli in 1930. Hij had de deeltjes nodig om zijn theoretische beschrijving van radioactief bètaverval kloppend te maken. In dit verval leken energie en impuls te verdwijnen in het niets. Dat gaat in tegen de behoudswetten van energie en impuls die overal in de natuurkunde opgaan. Een nog nooit eerder gemeten deeltje, zonder lading en met bijna geen massa, zou die missende energie en impuls kunnen bevatten. De natuurkundige Enrico Fermi bedacht de naam ‘neutrino’, dat in het Italiaans ‘neutraaltje’ betekent.

Vat met 400 liter water

Dertig jaar na Pauli’s berekeningen maten onderzoekers voor het eerst neutrino’s die in een kernreactor ontstonden. Hun detector bestond uit een vat met 400 liter water met cadmiumchloride waarin neutrino’s lichtflitsjes veroorzaken. Dit leverde in 1995 de Nobelprijs voor natuurkunde op. Onderzoek aan neutrino’s bleef complex, omdat de deeltjes vluchtig zijn. Dat weerhield fysici er niet van de spookdeeltjes uitgebreid te onderzoeken, indirect als missende energie in deeltjesbotsingen en directer met bijvoorbeeld grote tanks, diep onder de grond, gevuld met water of schoonmaakmiddel (chloor bleek een goed detectormateriaal).

Zestig jaar na de eerste detectie van een neutrino berust neutrinojacht nog op dezelfde principes: een grote hoeveelheid ijs of water waarin neutrino’s een grotere kans hebben tegen materie aan te botsen. KM3NeT is een directe nazaat van die eerste experimenten.

Via een portofoon zoekt Patrick Lamare contact met het tweede schip dat mee is: een catamaran van het Franse bedrijf Comex met aan boord een duikrobot. Deze robot, die vanaf de catamaran bestuurd wordt, voert op de zeebodem de laatste handelingen uit. Hij plugt bijvoorbeeld de kabelbundel van de nieuwe bollenlijn in het ‘stopcontact’ van een eerder geplaatste lijn. „Zo koppelen we meerdere lijnen, als een treintje, aan elkaar en aan de onderzeese verdeeldozen”, zegt Pascal Coyle. De bundel bestaat uit elektriciteitskabels om de detectoren van stroom te voorzien en een glasvezelkabel voor de metingen, die naar het meetstation aan de kust gestuurd worden.

Probleem met de duikrobot

Helaas komt er, krakend door de portofoon, slecht nieuws van de catamaran: er is een onbekend probleem met de duikrobot. De ingenieurs op de Castor 02 besluiten het frame pas verder te laten zakken als de robot weer werkt.

In het begin van de avond kraakt de portofoon weer. De robot doet het weer. Enthousiast wordt het frame neergelaten. Maar als het op 1.200 meter diep is en de duikrobot, die inmiddels op de bodem is, zijn eerste testrondje doet, blijkt het weer mis. Een rotor van de onderzeeër werkt niet. Het apparaat wordt omhoog gehaald en het frame laat men op 1.200 meter diepte hangen. Zo zitten we de hele avond en nacht in spanning. Telkens als de duikrobot het water in gaat, blijkt er weer iets mis, en moet hij terug omhoog.

Het Comex-team geeft niet op. De hele nacht werken ze door. Over een paar uur is de duikrobot er klaar voor, beloven ze ’s ochtends.

Zanderige, kale bodem

Zondag, rond het middaguur, zitten we allemaal gespannen in de container te kijken naar het scherm waarop de camerabeelden van de duikrobot worden weergegeven. De robot en het frame met de bollenlijn zijn aangekomen op de zanderige, kale bodem van de Middellandse zee. Zelfs vissen komen hier nauwelijks. Voorzichtig pakt de robot de kabel die aan het anker van de bollenlijn vastzit, ‘zwemt’ daarmee naar een eerder geplaatste bollenlijn en steekt de kabel voorzichtig in het stopcontact.

Onderzoekers aan wal testen het contact met de detectorbollen. De resultaten zijn goed. Dan breekt het spannendste moment aan: de duikrobot zal een touw met een lus eraan vastgrijpen en naar achter trekken om het frame los te maken en de lijn uit te rollen.

We kijken gespannen mee hoe het grijpertje van de duikrobot naar de lus beweegt. Hij grijpt een paar keer mis. Het is geen eenvoudige manoeuvre voor de robotbestuurder die tweeënhalve kilometer hoger op een deinende boot achter de joystick zit. Een computerspel voor gevorderden. Maar uiteindelijk krijgt hij de lus te pakken, trekt en… het frame schiet los. In de container klinkt wat gelaten gejuich en geklap.

Door de manier waarop de lijn vastzit aan het anker begint het frame rond te draaien terwijl het omhoog drijft. Daardoor rolt de bollenlijn netjes van het frame af. Als een bol wol waar je een stuk draad van aftrekt. Dan schiet het frame los en drijft in ongeveer een halfuur naar het oppervlak.

Missie geslaagd

Een paar bemanningsleden varen er in een rubberbootje naartoe en knopen er een touw aan vast waarna het ding aan boord gehesen wordt. Klaar om gebruikt te worden voor de volgende missie.

Na dit eerste succes, wordt ook de tweede bollenlijn te water gelaten. Die rolt uiteindelijk, na dezelfde reeks handelingen van de duikrobot, op maandagochtend uit. Het duurde een dag langer dan gepland, maar met het plaatsen van de vijfde en zesde lijn is de eerste fase van de Franse KM3NeT-locatie nu compleet. Volgens de planning van de technisch projectmanager Miles Lindsey Clark is deze locatie in 2024 af, met alle 115 lijnen. In 2026 moeten de 230 Italiaanse lijnen geplaatst zijn.

Als we maandagavond aan wal stappen en terugrijden naar Marseille, doen de net neergelaten bollenlijnen al hun eerste metingen. Zij zien een trage regen van deeltjes die lichtsporen trekken in het zeewater. Ook met zes lijnen kan de neutrinotelescoop al voorzichtige metingen doen. In de zomer van 2021 moeten de dertien lijnen die dan geplaatst zijn de eerste wetenschappelijke resultaten opleveren, hopen de KM3NeT-fysici.