IJsklont klaar voor de kosmos

Raar? Wat is raar, zegt de Nederlandse fysicus prof.dr. Nick van Eijndhoven van de Vrije Universiteit Brussel over het feit dat hij als wetenschappelijk projectleider van het IceCube-project op Antactica zelf nog nooit op de Zuidpool is geweest.


'Ik kan niet zomaar even vijf weken weg. Voor mijn gezin zou eventueel nog wel lukken. Maar college geven, dat is het echte probleem. Dat moet doorgaan. En op afstand kan dit werk ook heel goed. Daarginds kunnen post-docs en studenten het goed af.'


Van Eijndhoven was er bijgevolg dus op 18 december ook niet bij toen op de Admudsen-basis pal op de Zuidpool de champagne knalde en de glazen geheven werden op de voltooiing van neutrinodetector IceCube. Die dag was het laatste van 86 snoeren ('strings') van bijna 2,5 kilometer lang, vol met detectoren, afgezonken in de schacht die in anderhalf etmaal in het onderliggende ijs was geboord met behulp van heet water.


In maart komen in Madison alle leden van de IceCube-samenwerking, in totaal verdeeld over 35 instituten en laboratoria wereldwijd, bij elkaar. 'Dan heffen we nogmaals het glas', zegt Van Eijndhoven.


In vijf jaar tijd werd met die smelttechniek de grootste deeltjesdetector ter wereld gebouwd: 86 strings met in totaal 5.160 fotodetectoren vastgezet in een kubieke kilometer poolijs op een diepte van 1.450 tot 2.450 meter. Door de diepte in het ijs is het experiment afgeschermd van veel kosmische straling en licht. Dat is nodig om de schaarse sporen van neutrino's uit het heelal wel te kunnen opmerken.


Neutrino's zijn de schimmen van de deeltjeswereld, maar met name astrofysici zijn er dol op. Ze ontstaan bij verval van radioactieve elementen en bepaalde andere deeltjes en hebben daarna nauwelijks interactie met andere materie. Daarmee zijn ze de ideale astronomische boodschappers. Terwijl licht en andere straling door stof en magnetische velden onderweg teloor gaan, vliegen neutrino's vanuit hun bron altijd rechtdoor met vrijwel de lichtsnelheid, desnoods naar het andere eind van het universum. Nadeel daarvan is dat ze eigenlijk ook nauwelijks in een detector te vangen zijn.


Maar een hoogst enkele keer botst een neutrino op een atoomkern en ontstaat een zogeheten muon dat met hoge snelheid wegschiet. Dat laatste veroorzaakt bijvoorbeeld in water (of ijs) een blauwe lichtflits.


Voor een goede neutrinotelescoop zijn daarom twee dingen nodig: veel atoomkernen en een waterdicht detectiesysteem voor blauw oplichtende muonsporen. In IceCube zijn de moleculen in een kubieke kilometer poolijs de atomen die kans lopen getroffen te worden, en pikken de meer dan vijfduizend fotobuizen ieder sprietje licht meteen op. Uit de tijdstippen waarop licht de fotobuizen bereikt, is een positie en richting van een inslag af te leiden.


Van Eijndhoven zelf zwaait in het bijzonder de scepter over een analyse die vooral goed is in het oppikken van snelle gebeurtenissen aan de neutrinohemel, bijvoorbeeld als er een zogeheten gammaburst optreedt. Astrofysici denken dat zulke uitbarstingen van röntgenstraling iets te maken moeten hebben met heftige cataclysmen bij het ontstaan van een zwart gat of in de buurt van zware melkwegcentra.


De truc aan Van Eijndhovens onderzoek met IceCube is dat op ieder gewenst moment het voorgaande uur meetgegevens naar bijzondere signalen kan worden afgezocht en het hele uur erna. Vooral spannend is om te zien of er voorafgaand aan een grote klap al een stroom neutrino's binnenkomt.


Is dat het geval, zegt hoofd transient events Van Eijndhoven, dan staat vrijwel vast hoe een gammaflits ontstaat: door het ontstaan van een zwart gat bij de dood van een zware ster. Dan wordt materie eerst tot het uiterste versneld en komt pas in tweede instantie een explosie van gammastralen los.


Dat aantonen zou een prachtige wetenschappelijke ontdekking betekenen, zegt Van Eijndhoven verlekkerd. Maar het is wel een kwestie van geduld. Berekeningen geven aan dat minimaal één op de honderd gammaflitsen een neutrinosignaal geeft in de detector. Met pakweg één gammaflits per dag moet er ongeveer drie tot vijf jaar data worden verzameld. 'Maar vier jaar is de levensduur van een promovendus', zegt van Eijndhoven. 'Dat is dus te overzien.'


Neutrino-astronomie is installeren en daarna babysitten, tot er genoeg data zijn, zo noemt hij het. Het hele immense experiment heeft een bezetting van slechts twee man, die steeds voor dertien maanden de boel in de gaten komen houden. Ook in de barre antarctische wintermaanden, als buiten eigenlijk niet gewerkt kan worden. Eén van Van Eijndhovens Brusselse post-docs is deze week afgereisd naar de pool.


Deeltjesastroffysici als Van Eijndhoven hebben niet tot de voltooiing van de detector hoeven wachten op resultaten. Met de eerste 40 strings van de detector werd eerder bijvoorbeeld al aangetoond dat de maan kosmische straling tegenhoudt. Op zich is zo'n schaduw niet zo heel verrassend, zegt Van Eijndhoven. Dat de halve IceCube hem al kon meten, was dat wel. 'De maan heeft een diameter van een halve graad aan de hemel. Het meten van de maanschaduw betekent dus dat we met een precisie van minder dan een halve graad naar de hemel kunnen kijken. En met de volledige 86 strings is dat zeker nog beter geworden. IceCube is een echte telescoop.'


Onder meer werd daarmee een eerste kaart van de hemel geproduceerd, waaruit bleek dat het linker- en rechterdeel van het zuidelijk halfrond niet precies evenveel kosmische straling uitzenden. Het vermoeden is dat daarbij een verband bestaat met restanten van sterexplosies. Maar statistisch is dat idee nog niet hard te maken; er zijn veel meer betrapte neutrino's nodig om de bronnen met voldoende zekerheid te kunnen aanwijzen.


Het stelsel van detectoren in het zuidpoolijs is natuurlijk niet naar believen te richten. In feite bekijkt het apparaat voortdurend de hele hemel, maar voornamelijk dwars door de aarde heen het noordelijke halfrond. Uit het spoor van lichtflitsen dat een passerend neutrino in het ijs losmaakt, is met rekenwerk de oorsprong aan de hemel af te leiden.


De ligging van IceCube op de zuidpool is daarbij heel gunstig, vergeleken met die van Antares, een neutrinodetector in de Middellandse Zee voor de kust van Toulon. Die mede door Nederlanders gebouwde diepzeedetector ligt dichter bij de evenaar, zodat veel hogere eisen moeten worden gesteld aan de plaatsbepaling ten opzichte van de hemel. IceCube draait alleen om zijn eigen as, wat veel eenvoudiger rekenen is en data-opslag minder ingewikkeld maakt.


IceCube, zegt Van Eijndhoven, levert binnen een jaar of vijf op tal van onderzoekslijnen zeker de eerste ontdekkingen. Nederland doet als land niet mee aan het project, dat vooral door de Amerikaanse National Science Foundation NSF, Zweden, België ne Duitsland wordt getrokken. Nederland steekt, via het Nikhef in Amsterdam, tijd en geld vooral in Antares in de Middellandse Zee, vorig jaar voltooid, maar met 12 strings op 500 meter diepte toch echt veel kleiner dan IceCube.


Inmiddels zijn er plannen voor een echte tegenpool van IceCube op het noordelijk halfrond, voorlopig KM3Net geheten vanwege de afmetingen: ook een kubieke kilometer. Haast om die te bouwen is misschien niet raadzaam, zegt Van Eijndhoven. 'Het is waarschijnlijk efficiënter om bij het ontwerp eerst resultaten van IceCube te hebben.'


Meer over