De melkweg gezien vanaf de zeebodem

Sinds begin maart op kilometers diepte in de Middellandse Zee de stekker in het stopcontact ging, werkt het eerste deel van neutrinodetector Antares vlekkeloos....

Op het moment suprême zat hij zelf in het zogeheten shore station, het punt waar de kabels naar de detector in de zee aan land komen. Het was 2 maart 2006, een uur of tien in de ochtend. En opeens kwam er signaal op de monitoren.

Eerst ruis, zoals dat hoort met detectoren. Maar al snel kwam er iets dat op echte events leek: deeltjes die kennelijk langs de detector waren gezoefd en in het zeewater lichtflitsjes hadden veroorzaakt die door de fotobuizen in de detector waren opgevangen.

Waarschijnlijk, zegt de Amsterdamse fysicus prof. dr. Maarten de Jong van het Nikhef-laboratorium, hebben wetenschappers die een sonde naar Mars sturen, nog veel heftiger gevoelens bij het eerste beeld. 'Maar het zat er denk ik wel dichtbij. Een ontlading. Na al het werk dat erin is gaan zitten, doet-ie het gewoon. Dat werd wel even een feestje, ja.'

Fysicus De Jong is sinds een jaar deputy spokesperson van het Antares-project op de bodem van de Middellandse Zee, veertig kilometer uit de kust bij Toulon. Daar wordt op 2,5 kilometer diepte een telescoop voor neutrino's gebouwd, deeltjes die bij kernreacties in het heelal vrijkomen en vervolgens vrijwel ongehinderd door alle materie heen vliegen. Ze zijn daardoor bijna niet te detecteren. Maar lukt dat wel, dan kijkt de waarnemer er ook mee tot in het hart van de materie in het heelal.

De Jongs Nikhef is in het Antares-project verantwoordelijk voor de uitlezing van de data: het verzamelen van de meetgegevens van het apparaat dat in de praktijk onbereikbaar op de zeebodem staat. De Amsterdammers hebben de software ontworpen waarmee door slimme combinaties van afzonderlijke detectoren en gevoeligheden dezelfde telescoop naar verschillende processen en verschijnselen kan kijken.

De eerste weken meten hebben, zegt hij, al aangetoond dat de detector vlekkeloos werkt. 'We zien weliswaar nog geen neutrino's, maar wel precies de component van de kosmische straling die je moet verwachten. Alles wijst erop dat we in de uiteindelijke detector de precisie gaan halen die hij op papier heeft.'

Fotobuizen

Wat vorige maand op de zeebodem is neergezet, is namelijk nog maar het begin van Antares. Nu staat er aan een zwaar anker op de op 2,5 kilometer diepte liggende zeebodem een vijfhonderd meter lange kabel, waaraan op regelmatige afstanden drietallen glazen bollen zijn bevestigd. Daarin zitten fotobuizen die in de stikdonkere diepzee de lichtflitsjes oppikken die een passerende neutrino soms in water kan losmaken.

De eerste Antares-lijn werd half februari afgezonken en begin maart aangesloten door een op afstand bestuurde duikrobot. Tot eind volgend jaar wordt er gewerkt aan uitbreiding naar uiteindelijk twaalf lijnen met elk 75 lichtdetectoren, verspreid over een gebied op de zeebodem. In het project werken de Nederlanders samen met vooral Fransen, Italianen, Spanjaarden en Duitsers.

Alle fotobuizen samen stellen de fysici in staat voortdurend de exacte plek van een lichtflitsje vast te stellen. Reeksen van zulke flitsjes geven het pad aan van passerende deeltjes, bijvoorbeeld neutrino's.

Als dat allemaal werkt, legt De Jong uit, is Antares in feite een telescoop, zij het niet voor licht maar voor spookdeeltjes uit het heelal. Het apparaat zal details van 0,2 graden aan de hemel kunnen onderscheiden, minder dan de halve volle maan. Niet zo precies als optische telescopen. Maar genoeg om neutrino's van bijvoorbeeld de zon of het centrum van de melkweg te kunnen onderscheiden van die uit achtergrondbronnen.

Dat is bijvoorbeeld veel nauwkeuriger dan de bekende neutrinodetector Super-Kamiokande in Japan, die enkele jaren geleden voor het eerst aantoonde dat de zon drie typen neutrino's uitzendt, die voortdurend van identiteit wisselen. De ontdekkers kregen er vorig jaar een Nobelprijs voor. Toch kan Super-Kamiokande niet preciezer dan tien graden aan de hemel kijken, en vooral voor neutrino's met relatief lage energie.

De spookdeeltjes waarin het Antares-team is geïnteresseerd, hebben veel hogere energie, omdat ze bij echt kosmische processen worden gemaakt: botsende neutronensterren, het ontstaan van zwarte gaten. Om die deeltjes te zien, zijn om te beginnen detectoren nodig met een enorm volume.

Momenteel zijn er wereldwijd twee van zulke apparaten in aanbouw. Het eerste is de Amerikaanse IceCube-detector die via een vernuftige smeltechniek wordt geplaats in het ijs van de zuidpool. Dat project, met een volume van bijna een kubieke kilometer, nadert zijn voltooiing en neemt al meer dan een jaar data. Daarnaast is er nu het begin van Antares, dat met zijn twaalf onderzeese lijnen nog steeds maar 0,02 kubieke kilometer beslaat.

Water

Maar wel in water, memoreert de Jong. En water is transparant voor licht, in tegenstelling tot ijs dat juist enorm veel licht verstrooit en dus heel veel signalen dempt. 'IceCube is onze rechtstreekse concurrent in dit veld, dat is duidelijk. Maar de vraag is nog steeds wat beter is. Een grote ongevoelige ijsdetector, of een kleine gevoelige in water.'

Eén voordeel heeft Antares in elk geval al boven de Amerikaanse concurrent op de zuidpool, afgezien van de werkomstandigheden voor wetenschappers en technici. Beide detectoren kijken niet omhoog, maar omlaag, door de hele aarde heen die als een schild tegen storende kosmische straling werkt. Op de zuidpool is de blik van het apparaat dan permanent op het noorden gericht, een vaste plaats aan het firmament, waar bijvoorbeeld de zon al nooit staat. Of het hart van onze melkweg, waarvan veel theoretici verwachten dat het een heldere bron van hoogenergetische neutrino's moet zijn.

Antares staat dichtbij de evenaar en bestrijkt door de draaiing van de aarde gedurende elk etmaal een hele strook aan de hemel, inclusief onze zon en het hart van de melkweg.

Vooral die zon kan nog aardige verrassingen gaan opleveren, schatten de neutrinofysici. Zo is er het eeuwige raadsel van de donkere materie in het heelal: er is veel meer zwaartekracht in het heelal te zien, dan materie die die veroorzaakt.

Een van de theorieën zegt dat daarvoor een nieuw soort deeltjes verantwoordelijk is, die min of meer het fysische spiegelbeeld van de bekende materie vormt. Die, aldus nog steeds de theorie, zou door zware massa's als de zon kunnen worden aangezogen. Waarna die bij de desintegratie van de exotische deeltjes snelle neutrino's uitspuwt.

Detectoren van zonne-neutrino's als Kamiokande in Japan zijn blind voor zulke hoogenergetische spookdeeltjes. Antares niet. 'Dus het is echt spannend, wat we vanaf volgend jaar gaan zien', zegt De Jong.

Dat Antares vanaf de aansluiting vorige maand meteen is gaan meten, is beleid, zegt De Jong, terwijl op zijn scherm in een 3D-weergave van de eerste afgezonken lijn lichtsignalen als groene blokjes oplichten. 'We leren onderweg het systeem kennen en ermee omgaan, zodat het meteen oogsttijd is, als alles op zijn plaatst staat.'

Nu al wordt er gewerkt aan de eerste wetenschappelijke publicaties. Over de atmosferische muonen, een soort zware elektronen die kosmische straling in de aardatmosfeer losslaat. Maar vooral ook technische papers, waaraan in de toekomst kan worden gerefereerd in de echte publicaties met echt nieuwe waarnemingen.

Intussen werken de Europese neutrino-fysici alweer aan een nog groter project: KM3 genoemd, naar de kubieke kilometer die het ding moet gaan beslaan. Weer op de zeebodem.

Er zijn inmiddels drie potentiële locaties voor gevonden in de Middellandse Zee, onder meer in de Griekse wateren. De eerste studies ervoor zijn op 1 februari jongstleden begonnen. Dat Antares het gewoon doet, zegt De Jong, is een krachtig argument om de nieuwe kolos op termijn echt te bouwen.

Meer over