Neutrino's vangen op Antarctica

Natuurkunde

Door: Francis Halzen

Dertig triljard kansen, één keer raak

Neutrino’s zijn de meest ongrijpbare deeltjes die Moeder Natuur kent – letterlijk. Het contrast tussen de onooglijke deeltjes en de gigantische detectoren die je nodig hebt om ze te vangen, kan niet groter. In barre Antarctische omstandigheden gebruiken Francis Halzen en zijn collega’s een wel heel bovenmaatse detector: het continent zelf.
De dichter John Updike schreef eens: “Neutrino’s zijn heel klein, hebben geen lading en geen massa en reageren nergens mee”. Maar, zo zou later blijken, neutrino’s reageren wel degelijk en hebben hoogstwaarschijnlijk ook massa, zij het niet veel. Updike had overigens wel de geest van het deeltje te pakken: neutrino’s doen alleen mee aan de zwakste kracht die Moeder Natuur tot haar beschikking heeft (op de zwaartekracht na dan, maar die speelt hier geen rol). Als een kogel door de regen, zo schiet een neutrino door de aarde. Ongehinderd door dichte ijzerlagen, magma of rotsgesteente kan een neutrino aan de ene kant de aarde binnenkomen om er fracties van een seconde later aan de tegenoverliggende zijde weer uit te razen. Er zijn er genoeg – iedere seconde flitsen er minstens dertig triljard door ons lichaam.
        Deze eigenschap, dat ze overal dwars doorheen schieten, maakt neutrino’s tot een fantastisch gereedschap voor astronomisch onderzoek. Denk eens aan de informatie die dit unieke deeltje ons geeft als het ontsnapt uit een vergelegen zwart gat, om uiteindelijk ongehinderd door straling of magnetische velden te botsen met een subatomair deeltje in de aarde. Wat een schat aan kennis levert dat op voor onderzoekers van sterrenstelsels – voor ons bijvoorbeeld, een internationale groep natuurkundigen werkzaam aan de grootste deeltjesdetector ooit gebouwd: de Antarctic Muon And Neutrino Detector Array, Amanda, op Antarctica. Wij scheppen wel eens op over Amanda dat deze klomp ijs van twee kilometer diep bij honderdtwintig meter breed gevuld meetapparatuur het grootste laboratorium ter wereld is. Toch is het slechts het prototype voor het ultieme neutrino-observatorium dat over een jaar of zes gereed moet zijn. Deze grote broer van Amanda heet IceCube en is het resultaat van internationale samenwerking tussen Belgische, Duitse, Zweedse en Amerikaanse natuurkundigen en astronomen. Zij brengen nu vijfduizend detectoren in duizend megaton ijs aan. De ervaringen die mijn collega’s en ik opdeden met Amanda zijn hen daarbij van dienst.

Het grootste lab
Het concept om ijs als een deeltjesdetector te gebruiken, is gebaseerd op een Russische publicatie van 35 jaar geleden. De Russische onderzoekers Markov en Zheleznykh van de Moskou Staatsuniversiteit stelden daarin voor om met behulp van radiogolftechnieken kosmische neutrino’s te detecteren. Daartoe, zo realiseerden ze zich, moet je ze wel eerst vangen. Het was bekend dat als een hoogenergetisch neutrino met een deeltje in ijs botst, er een elektrische vonk ontstaat van enkele meters lang. De vonken moeten te detecteren zijn met behulp van radioantennes die op gigahertzfrequenties scannen, bedachten de Russen. Zheleznykh testte de techniek in een proefopstelling in het Russische Vostokstation in Antarctica, maar tevergeefs. Na verloop van tijd gaven de Russen op.
        Geïnspireerd door het Russische onderzoek werkte ik het idee verder uit, samen met mijn gasten Enrique Zas van de Universiteit van Santiago de Compostella en Todor Stanev van het Bartol Research Institute. De elektrische vonk die ontstaat als een neutrino door ijs schiet, bestaat uit elektronen die uit het atoom worden gestoten. We verfijnden de techniek, maar ook bij ons wilde het detecteren met radiosignalen niet lukken. Het elektrische signaal dat ontstaat na botsing van een neutrino, bleef onvindbaar.
        Dit mislukken bracht mij op het idee om het blauwe Cherenkovlicht, dat erop wijst dat uit een botsend neutrino een muon is ontstaan, te detecteren. Een muon is een subatomair deeltje dat verwant is aan het elektron maar tweehonderd keer zo zwaar is. Waar een neutrino door het ijs schiet, komen dus ook muonen voor. En die zijn wel te meten; het detecteren van muonen is standaardwerk voor een natuurkundige.

Go, no go
Na een serie e-mails met collega’s, waaronder John Learned van de Deep Underwater Muon and Neutrino Detector (Dumand), werd me duidelijk dat het idee uitvoerbaar moest zijn. Dumand is een kleinere neutrinodetector die gepland was op Hawaï maar die nooit is gebouwd. Amanda ging er wel komen; in grote ijsmassa’s gingen we neutrino’s en muonen vangen, dat stond vast. We zouden naar de zuidpool gaan en daar optische modules invriezen in het Antarctische ijs. Geld hadden we nodig, veel geld. Het moest lukken, we hadden immers een goed verhaal. We gingen een neutrinovanger bouwen die zijn gelijke in omvang niet kende. Een omvang die nodig is om de kosmische deeltjes te vangen die ons unieke informatie over ruimteactiviteit zouden verschaffen.

Een vliegtuig voerde tonnen materiaal aan vanuit Nieuw-Zeeland.

        Door de opstelling op Antarctica te plaatsen, creëerden we vele voordelen. We konden bijvoorbeeld zonder problemen aan het ijsoppervlak een laboratorium inrichten, veilig en goed bereikbaar, terwijl we ín het ijs de metingen zouden doen. We zouden geen last hebben van de golven en het zoute water, een handicap die de meeste neutrinodetectoren die in water zijn gelegen wel hebben. Ook hoefden we de detectieapparatuur niet onder hoge druk te houden om waterlekken tegen te gaan. Verder was in het ijs geen storend achtergrondlicht of radioactief verval van kalium te verwachten. We konden de detectie zo uitvoeren, met standaard apparatuur.
        John en ik dachten verder. We vonden uit dat de National Science Foundation een onderzoeksstation beheerde op de zuidpool. Dat was perfect uitgerust voor onze wensen, zo bleek al gauw. We schreven projectvoorstellen en wierven fondsen. Uiteindelijk vielen onze ideeën om op Antarctica te bouwen zelfs goedkoper uit dan de opzet van een neutrinodetector in zee. Toen waren deelnemers gauw gevonden.

Het boren
Een aantal jaren nadat ik in 1987 op het Russische idee was gestuit, kregen de jonge onderzoekers Steve Barwick, Doug Lowder en Andy Westphal van de Universiteit van Berkeley in San Francisco hun professor, Buford Price, zover een neutrinodetector te bouwen in het ijs. Dit was het duwtje dat het project nodig had. In 1992 konden we aan de slag. De deelnemers kwamen inmiddels van universiteiten uit Berkeley, Mons, Brussel, Clark-Atlanta, Kalmar, Kansas, Irvine, Madison, Mainz, Pennsylvania, Southern University, Stockholm, Uppsala en Wuppertal. Daarnaast nam een internationale verzameling van onderzoekslaboratoria deel. Vijf jaar en duizenden telefoontjes en e-mails later had onze zoektocht naar geld, ideeën en steun een waslijst aan inspirerende collega’s opgeleverd. Ik was gelukkig; we konden gaan bouwen.
        Tonnen elektrische apparatuur en bouwmaterialen vertrokken richting de zuidpool. Ook boormaterialen moesten mee. Het meeste ging door de lucht, via een met ski’s uitgerust transportvliegtuig vanaf het Nieuw-Zeelandse Christchurch. Zware spullen werden verscheept. Tweehonderdduizend kilo materieel, twintigduizend liter brandstof en vijftig mensen zijn er in de loop van de opbouwjaren naar het veldstation gebracht.
        Met hulp van het Physical Science Laboratory van de Universiteit van Wisconsin-Madison en mijn collega Bob Morse zijn de boringen in goede banen geleid. De boor bestond uit een gladde kogel, waarbij uit de neus warm water stroomt. De kogel smolt zichzelf zo door het ijs, met als drijvende kracht zijn eigen gewicht. Met een centimeter per seconde zakte het apparaat dieper weg. Zo boorden we twee kilometer in vier dagen. In het gat bleef een plas water staan, dat vloeibaar bleef door het isolerende effect van het ijs. De afwijking van het boorgat was niet meer dan een meter over het twee kilometer diepe gat. Zwaartekracht is een nauwkeurige lineaal.
        De kogel was gevuld met meetapparatuur om de precieze positie van de sensoren te kunnen bepalen. De detectieapparatuur en alle andere meetapparaten en camera’s hebben we in het boorgat gebracht met behulp van gewichten. Daarna was het wachten op het dichtvriezen van het gat. Dat duurde enkele dagen. Uiteindelijk konden we gaan meten. En ook dat was wachten, want hoewel er bijna ontelbaar veel neutrino’s per seconde door de aarde razen, is de kans dat er eentje botst met een proton in het ijs uiterst gering.

Het leven gegeven
Het detecteren van neutrino’s is te vergelijken met het spelletje waarbij kinderen genummerde stippen met lijnen met elkaar moeten verbinden, zodat een figuurtje ontstaat. In ons onderzoek zijn de stippen lichtgevoelige detectoren en wordt het spel gespeeld in drie dimensies in plaats van op een vel papier. Een belangrijker verschil is dat wij anticiperen op het patroon dat we zoeken: de weergave van blauw licht door een subatomair deeltje dat met de snelheid van het licht door onze detectoren heen raast – detectoren die op anderhalve kilometer diepte onder de geografische zuidpool liggen.
        Zoals gezegd is het muon in dit verhaal een belangrijke acteur. Het subatomair deeltje is te detecteren door het zogenaamde Cherenkov-lichtpatroon te meten dat een muon creërt in transparant materiaal. In ons geval was dat ijs of water. Het was mijn student Rellen Hardtke die mij in augustus 1998 het eerste muon liet zien dat we hadden gedetecteerd. Bijna een jaar eerder had onze detector het muon waargenomen, over enkele honderden meters diep Antarctisch ijs.
        Het regenboogkleurige patroon dat Rellen Hardtke mij toonde, veranderend van rood naar blauw, gaf aan dat we de eerste sporen waarnamen van een deeltje op een diepte van twee kilometer. Een microseconde later waren we het weer kwijt, op anderhalve kilometer diepte. De belangrijkste ontdekking van dat moment was dat een muon zich over vierhonderd meter door onze aarde had bewogen.
        Volgens onze berekeningen was het kosmische neutrino de aarde binnengekomen op twaalf oktober 1997 om vijf uur ’s ochtends, in het midden van de Stille Oceaan tussen de Aleutia- en Midwayeilanden. Het schoot door de aarde, om frontaal te botsen met een subatomair proton in onze detectoren onder het Antarctische ijs. De vonk die werd geproduceerd, liet onze detectoren uitslaan met een spookachtig blauw licht. Nadat ik later die dag mijn collega’s over de wereld op de hoogte bracht, antwoordde John Jacobsen van het Berkeley Lawrence Laboratorium: “Voor deze ontdekking heb ik de afgelopen vijf jaar van mijn leven aan dit project gegeven”. Ik begreep hem volkomen.

        De architectuur van de Amanda bestaat uit een serie onder elkaar gehangen buizen met fotonentellers. Deze lijken op peertjes zoals we die uit lampen kennen, maar werken precies omgekeerd: ze vangen fotonen (lichtdeeltjes) en zetten die om in een elektrisch stroompje. Het licht is in dit geval het mysterieuze, blauwe Cherenkovschijnsel dat ontstaat als een muon met bijna de lichtsnelheid door het ijs schiet. Onze fotontellers vangen het blauwe schijnsel op en sturen het signaal een miljard keer versterkt door een kabel naar de oppervlakte. Daar wordt het verwerkt in onze controleapparatuur.
Door te specialiseren in hoogenergetische neutrino’s, die ruw genomen een miljoen keer zo gevoelig en 10¹² keer zo makkelijk te detecteren zijn dan bijvoorbeeld neutrino’s afkomstig van de zon, konden we in plaats van een klein maar gevoelig apparaat, een heel groot apparaat bouwen. Amanda beslaat nu een oppervlak van een halve vierkante kilometer waarin 677 optische sensoren zijn geplaatst.
De eerste serie van tachtig optische modules voor Amanda werd in het ijs gelegd op één kilometer diepte op kerstavond 1990. Dat waren de dagen dat er in het proefstation nog nauwelijks beschutting en verwarming was. Tien mensen waren bij dertig graden onder nul zeventien uur bezig om de eerste serie modules aan te leggen. Omdat ze delicate lichtgevoelige sensoren aansloten, konden de technici geen handschoenen dragen. Het moet een ware overwinning zijn geweest toen de apparatuur bleek te werken.
        Voor mij als bedenker van het project – maar als theoreticus in het bezit van onvoldoende nuttige vaardigheden om een reis naar Antarctica te legitimeren – was het ook een overwinning, zij het dat ik die aan de zijlijn van de bouw vierde. De boodschap kreeg ik op kerstavond van dat jaar, op mijn laptop bij mijn ouders in België, enkele duizenden kilometers noordelijker en dichter bij de zon. Ze luidde simpelweg: “De eerste serie draait”. De boodschapper was te moe voor een uitgebreid verhaal.

Zuidpool
In de afgelopen veertig jaar zijn neutrinodetectoren gebouwd op de meest uiteenlopende plekken op aarde: in mijnen vlakbij de Grote Meren van Noord-Amerika, onder bergen van de Apennijnen in Italië en in Japans gebergte. Deze detectoren zijn nog altijd uitstekende instrumenten die belangrijke data opleveren. Zo detecteren ze neutrino’s van de zon, en gedurende een korte tien seconden in 1987 de uitbarsting van neutrino’s in de Grote Magelhaense Wolk. Helaas zijn ze te klein om de relatief kleine stroom van neutrino’s uit kosmische bronnen te detecteren. Daarvoor is Amanda wel geschikt.

Het detecteren van deeltjes uit de ruimte is geen uitzonderlijk onderzoek meer. Vele natuurkundestudenten moeten in het laboratorium al eens muonen meten na een botsing met de kosmische protonstraling en zuurstof- en stikstofkernen uit de atmosfeer. Maar voor een grootschalige en meer succesvolle onderzoeksvariant van dit academische experiment heb je al gauw enkele vierkante kilometers detectoren nodig, zo weten wij nu. Hoe anders vang je de zeldzame kosmische straling waarin de kleine hoeveelheid energie, enkele tienden van een joule, wordt gedragen door één enkel deeltje?
        Een van de onopgeloste vragen in de wetenschap is hoe en waar kosmische straling haar energie opdoet. Als bron van kosmische neutrino’s worden de gamma ray bursts, ongelooflijk energetische explosies vér weg in de kosmos, en actieve galactische kernen geopperd. Zeker weten we het niet, maar omdat dit ook bronnen van hoogenergetische fotonen zijn, is het wel aannemelijk. Als dat waar is, dan moet de neutrinoflux te berekenen zijn uit de korte tijd dat de kosmische straling en de hoogenergetische fotonen samen voorkomen in de bronnen.
        Hopelijk begrijpen we op een dag de detector goed genoeg om de subtiele effecten te onthullen die al eerder werden waargenomen in experimenten uitgevoerd in onder meer de SuperK-detector. Maar we zullen moeten leren leven met de beperkingen van de kwaliteit van de meting van Amanda, waarop we ten gunste van het oppervlak van de proefopstelling hebben ingeleverd. Misschien gaat IceCube ons meer opleveren. Want waar het het oppervlak van het ‘laboratorium’ betreft, komen we nog steeds één of twee orden van grootte tekort voor een neutrinodetector op kilometerschaal. En dat is nodig voor dit soort onderzoek, denk ik nu.