Vissen naar spookdeeltjes

Onderzoekers en technici zijn bezig met het afzinken van het eerste stuk van een kolossale neutrino-telescoop in de Middellandse Zee....

Door Martijn van Calmthout

Verhip, dacht de Amsterdamse fysicus dr. Maarten de Jong, toen hij vorige week de televisiebeelden zag van de dikke slierten stookolie die uit het wrak van de gezonken tanker Prestige opkronkelden: verhip, daar heb je mijn onderzeeër. Op zijn scherm was nog net de grijparm zichtbaar van de Nautile, de knalgele bemande duikboot van het Franse diepzee-instituut Ifremer, waarmee de verontrustende beelden op bijna drieënhalve kilometer diep waren gemaakt.

Het is dezelfde grijparm die begin volgend jaar vijftig kilometer uit de kust bij de marinestad Toulon de eerste onderdelen aan elkaar moet koppelen van Antares, de onderzeese neutrino-detector waaraan De Jong met zijn team van het deeltjeslab Nikhef al jaren werkt. 'Het is mij nog niet duidelijk of de Fransen nu de hele agenda van de Nautile opschuiven, of dat alle afspraken opnieuw moeten worden gemaakt', zegt de Nederlandse teamleider in zijn lab in Watergraafsmeer.

Maar dat is in feite ook van later zorg. Afgelopen weekend voeren vanuit de Marinehaven Bandol bij het Zuid-Franse Toulon onderzoekers, technici en bemanningen uit om de eerste onderdelen voor Antares naar de bodem van de Middellandse Zee te brengen, op ruim 2000 meter diepte. De voortgang, zegt De Jong, is volledig afhankelijk van geschikte weersomstandigheden. 'Het is niet helemaal het optimale seizoen, nu. Maar het kan lukken.'

Zaterdagnacht ging de zogeheten junction box de diepte in, de centrale stekkerdoos waarin signalen worden verzameld uit een woud van verankerde lijnen met detectoren er omheen, voor datatransport via glasfiberkabels naar het vasteland. In een villa aan de kust bij Les Sablettes staat het computersysteem dat, op basis van in Amsterdam bedachte software, de eerste analyses van de kolossale stroom meetgegevens gaat doen.

Van de detector-strings wordt vervolgens een eerste in zee gelaten: een sliert van 500 meter kabel met om de vijftien meter een drietal extreem gevoelige lichtmeters, ingebouwd in drukbestendige glazen bollen. Onderaan een loodzwaar anker van beton en een drijver aan de bovenzijde. De komende twee jaar volgen er volgens plan nog twaalf, die in een spiraalpatroon op de bodem worden gezet. Het geheel kost een slordige 15 miljoen euro, waarvan Amsterdam er bijna 4 miljoen inbrengt.

Antares (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research) moet de grootste telescoop voor neutrino's ter wereld worden: een apparaat dat kan aanwijzen waar en in welke intensiteit ze vandaan komen, en met welke energie. 'Precies zoals licht- en radiotelescopen doen', zegt De Jong. 'Maar dan voor deeltjes die rechtstreeks zijn ontstaan bij de (nucleaire) processen in het heelal, nu en vroeger. Dit is het begin van een nieuwe tak van astronomie die direct in het hart van het heelal kijkt.'

Over twee jaar beslaat de telescoop een oppervlak van 0,1 vierkante kilometer, met dertien strings. Dat is een prototype, bedoeld om diepzee-technieken uit te proberen en de principes van neutrino-astronomie te verkennen. Het oplossend vermogen, de mate van detail die de telescoop kan onderscheiden, zal nog niet optimaal zijn.

Uiteindelijk dromen de onderzoekers van een veld van een vierkante kilometer vol detectoren, die in het aardedonker van de diepzee allemaal loeren op lichtflitsjes van passerende spookdeeltjes. Waarschijnlijk in een nog dieper deel van de Middellandse Zee, wellicht bij Sicilië, al zijn de Fransen niet echt happig op een Italiaanse lokatie.

Neutrino's zijn waarschijnlijk de meest ongrijpbare deeltjes die Moeder Natuur kent. Ze ontstaan bij radioactief verval in atoomkernen en - in elk geval in theorie - ook bij processen die kort na de oerknal het heelal vormden.

In 1930 veronderstelde Wolfgang Pauli als eerste dat ze moesten bestaan, om zijn sommen van radioactief verval kloppend te krijgen. Pas in 1956 werden ze voor het eerst in een experiment aangetoond.

Neutrino's zijn echter haast ongrijpbaar. Ze bewegen met vrijwel de lichtsnelheid en hebben extreem weinig massa - tot voor kort meenden velen: zelfs helemaal geen massa - en geen enkele elektrische lading. Kenmerkend is dat ze nauwelijks interacties aangaan met andere deeltjes in het heelal. Ze bewegen met gemak door de hele aardbol. Gemiddeld slechts één op de tien miljard neutrino's botst met een kerndeeltje.

Om zo'n zeldzaam proces waar te nemen is een zeer grote detector nodig, bijvoorbeeld in de vorm van een groot volume water. Raakt een neutrino een proton of neutron in water, dan ontstaat er een muon, een zware variant van het elektron. Zo'n muon beweegt sneller dan de lichtsnelheid in water, en gaat als het ware door de geluidsbarrière. Daarbij ontstaat een blauwig licht, zogeheten Cérenkov-straling, die met fotodetectoren kan worden opgepikt.

Door de vertikale strings strategisch op de zeebodem te plaatsen kan een volume van 0,05 kubieke kilometer water in de gaten worden gehouden (in de latere versie zelfs een hele kubieke kilometer).

Uit de volgorde en intensiteiten van signalen uit de verschillende strings is met onder meer de Amsterdamse software te reconstrueren waar een botsend neutrino vandaan is gekomen en met welke energie.

De detector moet diep genoeg onder water zitten om afgeschermd te zijn tegen muonen die in de aardatmosfeer ontstaan als er kosmische straling binnenkomt. In de praktijk 'kijkt' Antares naar signalen die van beneden komen: neutrino's die dwars door de aarde de detector doorkruisen.

A

ntares is bedoeld om te kijken naar hoogenergetische neutrino's uit het heelal, met energie boven de 10 tot 100 giga-elektronvolt. Astronomen zijn bijvoorbeeld zeer benieuwd of ze in het 'neutrino-venster' iets zien van zogeheten gammaflitsen: zeer intense flitsen gamma-straling die aan de hemel worden waargenomen, maar waarvan de oorsprong nog niet goed begrepen is.

Fysici zijn meer geïnteresseerd of ze aan de hemel aanwijzingen kunnen vinden voor processen die volgens sommige speculatieve theorieën optreden. Zo bestaan er ideeën over zogeheten kosmische snaren, superzware weeffoutjes uit de tijd van de oerknal die vrij rondzwerven.

Als die uiteenvallen, ontstaan er massa's neutrino's, die vervolgens door niets gehinderd het heelal in schieten. Een instrument als Antares zou daarmee rechtstreeks naar zo'n snaar kijken, iets waarvoor zelfs de grootste deeltjesversnellers bij lange na niet genoeg energie hebben.

Fysicus De Jong is een landrot, varen hoeft van hem niet zo en op het schip zou hij, vermoedt hij, toch maar in de weg lopen.

'Bovendien heeft het iets angstigs, voor miljoenen apparatuur waar je jaren aan hebt gewerkt op volle zee overboord zetten. En dan vijftig kilometer verderop aan het uiteinde van een glasvezelkabel van een paar centimeter moeten wachten op een teken van leven.'

Bedrijfszekerheid is cruciaal voor Antares, reparaties zijn onder water moeilijk uit te voeren en zeker peperduur. Het Nikhef is daarbij de laatste twee jaar een steeds belangrijker rol in het van oorsprong vooral Franse project gaan spelen. In de werkplaats van het Amsterdamse lab werd een koelsysteem ontwikkeld voor de metalen cylinder rond de elektronica bij elk drietal fotodetectoren.

Zelfs in ijskoud zeewater blijkt warmtegeleiding door de cylinderwand niet genoeg, omdat die wand zo dik is om de waterdruk aan te kunnen. Een dubbelwandig systeem doet het wel goed. De Jong: 'Dat is cruciaal. Elke tien graden koeling verhoogt de levensduur van de elektronica met pakweg een factor twee.'

De Jong kan haast niet wachten tot de eerste echte data van de detector zijn computersoftware binnenkomen, waarschijnlijk ergens komend voorjaar. Dat die detector werkt, weet hij eigenlijk al wel zeker. Een deel van de string met fotobuizen hing het afgelopen jaar in een stikdonkere loods tussen lasers en ledjes die kunstmatige lichtflitsen veroorzaakten. Dat was allemaal goed te zien.

Maar nu komt het echte werk. De Jong: 'Ik ga het zeker nog meemaken dat we een heel nieuwe kaart van de hemel aan de wand kunnen prikken. Niet in elektromagnetische straling, maar in neutrino's en hun bronnen. Het bestaat niet, dat daar niks nieuws uitkomt.'

Meer over