De bollen die neutrino's moeten vangen

Aan de lijn eronder zit pakweg iedere tien meter een glazen bol, gevuld met elektronica die zijn omgeving nauwlettend in de gaten houdt. Maar het zijn geen tonijnen of potvissen waarnaar deze in totaal ruim zesduizend bollen speuren. Neutrino’s, daar draait het om. De zon zendt deze elementaire deeltjes massaal uit, maar ook verre exploderende sterren, en misschien ontstaan ze door interacties van donkere materie. Ze geven een unieke en door de wetenschap nog relatief weinig gebruikte kijk op het heelal.

Het probleem is dat neutrino’s zich zo moeilijk laten vangen. Neem een euromunt: iedere seconde vliegen hier een paar honderd miljard neutrino’s doorheen, afkomstig van de zon. Onvoorstelbaar? Evenzo gemakkelijk reizen de deeltjes door de gehele aarde om hun weg door de kosmos te vervolgen. Alleen héél af en toe botst een neutrino op de kern van een atoom en wordt zichtbaar. In water genereert het een zwak lichtspoor, dat dus wél zichtbaar is.

Precies om dat licht te vinden, bouwt onder andere het Nederlandse Nikhef-instituut duizenden gevoelige lichtdetectoren die vanaf 2020 in de Middellandse Zee op zoek gaan naar de diepste geheimen van de kosmos. NEMO Kennislink neemt een kijkje in de minifabriek op het Amsterdamse Science Park.

Gloeilampen

Het zou een fabriekshal kunnen zijn. Groot rolluik naar buiten, professionele boor- en freesapparaten, 3D-printers en gelaste metalen constructies waarvan ik de functie niet kan vaststellen. Ik loop samen met Karel Melis, promovendus bij Nikhef en de Universiteit van Amsterdam, langs twee gestapelde houten kratten naar de glazen bollen. Daarin lijken tientallen naar buiten gerichte gouden ‘gloeilampen’ te zitten.

“Het prijskaartje is al gauw 10.000 euro per bol”, zegt Melis. “Van alle bollen die straks aan één lijn in de Middelandse Zee hangen kon je (tot voor kort) een best aardig appartement kopen in Amsterdam. De subsidie van 12,7 miljoen euro die in april door wetenschapsfinancierder NWO aan KM3NeT werd toegekend, gaat voornamelijk naar de productie van een deel van de bollen. Geld voor het overige deel van de detector komt uit andere partnerlanden.”

Neutrinospoor

De productie is aardig op gang. Hoe langer ik door de hal loop, des te meer bollen ik ontdek. In kratten, in kasten en op testbanken: om te zien of de glazen bollen en de aansluitingen waterdicht zijn, of de lichtsensoren goed werken en de elektronica goed functioneert. Melis schat dat er op dit moment zo’n zestig tot zeventig bollen in het instituut liggen, (bijna) klaar voor verzending richting de Middellandse Zee.

Het heeft wel wat weg van een hippe kamerlamp uit de jaren zeventig, alleen doen deze bollen precies het tegenovergestelde. Ze registeren zwakke lichtflitsjes in de diepzee. De zogenoemde photo multiplier tubes hebben aan een enkel lichtdeeltje voldoende om een elektrisch signaal te creëren. Dat gaat vervolgens via een razendsnel glasvezelnetwerk naar een computer aan wal die de signalen (de richting, kracht en exacte timing van het lichtsignaal) van alle bollen integreert tot een spoor door de detector.

Het geregistreerde licht kan afkomstig zijn van neutrino’s die in of in de buurt van de detector op een atoomkern botsen. Dat veroorzaakt in de eerste plaats een zogenoemde deeltjesregen: hoogenergetische deeltjes vallen uiteen in deeltjes met minder energie, die vervolgens meer nieuwe deeltjes genereren. Eén botsend neutrino kan met gemak duizenden nieuwe deeltjes creëren, die op hun beurt via het zogenoemde Tsjerenkov-effect een detecteerbaar lichtspoor door de detector trekken.

Naast die ‘regen’ produceert de botsing een karakteristiek deeltje dat met hoge snelheid de weg van het neutrino vervolgt. Het neutrino bepaalt wat voor deeltje dat is. Neutrino’s komen in drie verschillende soorten: het muon-neutrino creëert een muon, het elektron-neutrino een elektron en het tau-neutrino produceert logischerwijs een tau-deeltje. Dit muon, elektron en tau-deeltje zorgen voor onderscheidbare signaturen in de detector. Het muon trekt een lang lichtspoor, het elektron zorgt voor een kegelvormig lichtsignaal, het tau-deeltje creëert twee kegels achter elkaar.

Eigenschappen van neutrino’s

Op dit moment hangen er drie lijnen met achttien bollen in de Middellandse Zee. Een flinke uitbreiding volgt. Voor de Zuid-Franse kust verrijst ORCA, ofwel Oscillation Research with Cosmics in the Abyss. 115 van deze lijnen speuren naar neutrino’s uit de aardatmosfeer die ontstaan als gevolg van interacties van kosmische straling. “Die botsingen volgen we over de hele wereld, dwars door de aarde heen”, zegt Melis. “Het idee is dat we door naar de richting en de verhouding tussen de drie neutrinosoorten te kijken, meer leren over de eigenschappen van neutrino’s. We willen bijvoorbeeld meer weten over de massa’s van de deeltjes. Vooralsnog kennen we alleen het verschil tussen de massa’s van twee soorten. Ook leren we meer over de ‘gedaanteverandering’ die de deeltjes onderweg ondergaan.”

Dan is er ook nog ARCA, Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss, voor de oostkust van Sicilië. Een ruimere detector met in totaal 230 lijnen, en meer afstand tussen de bollen. ARCA richt zich op veel energierijkere neutrino’s die rechtstreek afkomstig zijn van gewelddadige gebeurtenissen in de diepe kosmos. “Die zijn veel zeldzamer”, zegt Melis. “Over het algemeen geldt: hoe hoger de energie van de neutrino’s des te zeldzamer ze zijn. Ter vergelijking, terwijl we met ORCA naar verwachting tientallen interacties per dag zien, denk ik dat we met ARCA blij mogen zijn met een paar interacties per jaar.”

Het zijn deze hoogenergetische neutrino’s die ons een geheel nieuwe bril geven om het universum te onderzoeken, onafhankelijk van de gangbare optische observatoria. Astronomen kunnen exotische objecten, zoals zwarte gaten of pulsars, onderzoeken en zien welke processen er zich daar afspelen. Of ze kunnen exploderende sterren ‘zien’ nog voordat optische, infrarood-, ultraviolet- of radiotelescopen ze oppikken. Ook het onstuitbare karakter van neutrino’s komt van pas: ze vliegen ongehinderd enorme afstanden door het universum, dwars door stof- en gaswolken, zelfs dwars door sterren en planeten. Je kunt zo als het ware onbeperkt diep het universum in kijken.

Verder zijn er mogelijkheden om een paar fundamentele natuurkundekwesties aan de tand te voelen. Zoals het meten van de schending van de zogenoemde CP-symmetrie, het feit dat deeltjes doorgaans hetzelfde gedrag vertonen in een situatie waar de lading en richting precies is omgedraaid, maar niet in álle gevallen. Ook biedt KM3NeT de mogelijkheid om de pijlen op exotische en nooit gevonden magnetische monopolen te richten.

Het is nog even aanpoten in Amsterdam. Bij de vraag hoeveel bollen hij nog moet produceren, lacht de verantwoordelijke technicus Rene de Boer: “We hebben er tweehonderd gemaakt sinds 2017, van de in totaal zesduizend. Ik ben er nog mee bezig tot aan mijn pensioen.” Gelukkig staan andere instituten het Nikhef bij. Ze staan in Duitsland, Italië en Marokko en maken dezelfde bollen, naar Amsterdams model. Rond 2020 verwachten wetenschappers de eerste metingen van neutrino’s door KM3NeT.

De potentiële wetenschappelijke winst is groot. “Er vielen al verschillende Nobelprijzen in het neutrinovakgebied. Voor onder andere de ontdekking, de bepaling van massaverschillen en het feit dat ze van smaak veranderen”, zegt Melis. “Wellicht ligt er nog wel een prijs in het verschiet voor de bepaling van de massahiërarchie. Wij zijn hopelijk de eersten die dat kunnen doen met KM3NeT.”