Francis Halzen heeft de prestigieuze Balzan-prijs 2015 gewonnen. Onder impuls van de Belg, die al vele jaren in de VS actief is, werd op Antarctica de grootste neutrinodetector ter wereld gebouwd.
Het gerenommeerde wetenschapsblad Physics World riep eind 2013 de observatie van 28 hoogenergetische neutrino’s uit tot wetenschappelijke ‘Doorbraak van het jaar’. De elementaire deeltjes werden gespot door de Zuidpooltelescoop IceCube, en bevatten informatie over processen die zich afspelen in de uithoeken van de kosmos. De geestelijke vader van IceCube is een Belg: Francis Halzen, die veertig jaar geleden uitweek naar de Verenigde Staten. Hij opperde dertig jaar geleden als eerste het idee voor een gigantische neutrinodetector op Antarctica. Vandaag staat Halzen nog steeds aan het hoofd van het onderzoek met ‘zijn’ IceCube Neutrino Observatory, waarbij 280 fysici uit 42 instellingen – waaronder de Universiteit Gent, de twee Brusselse universiteiten en de Université de Mons – zijn betrokken.
▲ Het IceCube- lab op de Zuidpool. De gigantische detector zit anderhalve kilometer onder het ijs.
Hoe werkt IceCube?
‘De eenvoudigste manier om je IceCube voor te stellen is als een telescoop die naar het universum kijkt, maar daarvoor neutrino’s in plaats van lichtstralen gebruikt. Op elk moment gaan er miljoenen van die elementaire deeltjes door de detector. Het merendeel is afkomstig van de zon of onze atmosfeer – daarin zijn we niet geïnteresseerd. Maar er zitten ook deeltjes tussen die in de meest extreme delen van de kosmos zijn gevormd. Omdat neutrino’s geen elektrische lading en vrijwel geen massa bezitten, gaan ze ongehinderd en in rechte lijn door sterren en planeten. Ze komen ‘ongeschonden’ in onze detector aan, waar we hun eigenschappen en oorsprong bestuderen.’
‘De detector is een gigantische blok ijs: een kubieke kilometer groot, anderhalve kilometer onder de Zuidpool. Wij hebben alleen het meettoestel gebouwd dat gebeurtenissen in dat blok ijs registreert. Verspreid over een vierkante kilometer ijs zijn met een krachtige heetwaterstraal 86 kokers van tweeënhalve kilometer diep geboord. In elke koker is daarna een kabel neergelaten, met telkens 60 lichtgevoelige detectoren. In totaal zitten 5.160 detectoren ingevroren in het ijs. Ongeveer één op een miljoen neutrino’s die door het ijs passeren, botst met een proton of neutron in de kern van een waterstof- of zuurstofatoom. In de brokstukken van zo’n botsing zit een negatief geladen muon-deeltje, dat zich door het ijs voortbeweegt in dezelfde richting waarin de neutrino is ingeslagen. Daarbij straalt het blauw licht uit: het zogenoemde Tsjerenkov-licht. De sensoren vangen dat licht op en zetten het om in een signaal dat naar erg krachtige computers in het observatorium aan de oppervlakte wordt gestuurd.’
Hoe merkt u het verschil tussen ‘lokale’ neutrino’s en deeltjes die geproduceerd zijn buiten ons zonnestelsel?
‘De sensoren zijn alleen gevoelig voor deeltjes met extreem hoge energie. De neutrino’s waarin we geïnteresseerd zijn, bezitten een energieniveau van meer dan duizend tera-elektronvolt. Dat is een miljard keer meer energie dan neutrino’s afkomstig van de zon. De Large Hardon Collider (LHC), de grootste deeltjesversneller ter wereld, produceerde deeltjesbundels met een energie van zeven tera-elektronvolt om het bestaan van het higgsdeeltje aan te tonen. Die hoeveelheid energie is vergelijkbaar met een hogesnelheidstrein die met 150 kilometer per uur tegen een muur knalt.’
In november 2013 meldde uw onderzoeksgroep in Science dat IceCube 28 hoogenergetische deeltjes had gevonden. Een maand later riep een ander toonaangevend blad Physics World die vondst uit tot ‘Doorbraak van het Jaar’. Twee deeltjes kregen de naam Bert en Ernie. Wat maakt hen zo speciaal dat ze een naam verdienen?
‘Die naamgeving is niet zo ongewoon. We vernoemen ook de sensoren in IceCube naar wagens, vogels, brouwerijen, wijnen enzovoort. De sensoren hebben uiteraard ook een officiële numerieke code, maar echte namen vereenvoudigen onze communicatie. Als een sensor sputtert, dan spreken we bijvoorbeeld over problemen met de Mercedes of de ooievaar. Zo ontstond ook het idee om onze eerste neutrino’s naar karakters uit The Muppets of Sesamstraat te vernoemen. Ondertussen hebben we 28 hoogenergetische deeltjes gevonden, en dat zullen er nog meer worden. We dreigen dus Muppets te kort te komen. Bert en Ernie onderscheiden zich van de andere neutrino’s omdat ze de eerste op aarde gedetecteerde neutrino’s zijn met een energieniveau van duizend tera-elektronvolt. De overige 26 hebben een lager energieniveau, ongeveer dertig TeV.’
Waar komen die neutrino’s vandaan?
‘Geregeld verschijnen er publicaties van theoretici die over de herkomst speculeren. Mogelijk ontstaan ze bij zware supernova-explosies of in de buurt van superzware zwarte gaten. Maar eigenlijk weten we het niet. We tekenen de baan van elke neutrino die we in de detector vangen uit op een 3D-kaart van het heelal. Het snijpunt van al die banen moet uitwijzen waar de deeltjes zijn geproduceerd. Maar op basis van de 28 energierijke neutrino’s die we tot nog toe hebben geobserveerd, kunnen we enkel ruime oorsprongsgebieden in het heelal aanwijzen. Om de precieze bron te vinden, moeten we nog meer data verzamelen. Maar we komen binnenkort met antwoorden. Daar ben ik van overtuigd.’
Is de ontdekking van die kosmische neutrino’s voor u het hoogtepunt van IceCube?
‘Eigenlijk niet. Dat was in mijn ogen het moment in de late jaren negentig waarop duidelijk werd dat de detector echt werkte. Toen ik dertig jaar geleden over mijn idee sprak, vonden collega’s het wel leuk, maar ze waren ervan overtuigd dat het nooit zou lukken. Net zoals ikzelf, trouwens. Maar we maakten het concept concreter, en zo slaagden we erin fondsen voor het project te werven. Het vergde daarna nog zeven jaar hard werken om IceCube te bouwen. Een van de grootste uitdagingen was het ontwerpen van een heetwaterboor om de kabels in het ijs te stoppen. Toen de detector aanging, observeerden we neutrino’s met een energie van ongeveer 20 TeV. Compleet oninteressant. Maar dat de detector echt werkte, dat was voor mij minstens zo opwindend als onze grote doorbraak van vorig jaar.’
De zuiverheid van het honderdduizend jaar oude ijs is onmogelijk na te bootsen in een lab
Waarom staat de detector op de Zuidpool?
‘Eerst en vooral: er is ijs, en veel. Botsingen tussen hoogenergetische neutrino’s en deeltjes in het ijs zijn zo zeldzaam dat de detector een gigantisch volume moet bestrijken om er geen te missen. Bovendien heeft het honderdduizend jaar oude ijs een zuiverheid die onmogelijk in een lab is na te bootsen. Dankzij die zuiverheid reikt het blauwe Tsjerenkov-licht veel verder, en moesten we minder sensoren in het ijs plaatsen.’
‘Maar eerlijk: dat laatste wisten we op voorhand niet. Het was gewoon een meevaller dat het ijs zo doorzichtig bleek te zijn. De echte reden waarom we naar de Zuidpool trokken, was het onderzoeksstation dat er al stond. Zonder dat station was IceCube er nooit gekomen. Je kan immers niet zomaar een gigantische detector bouwen op een ontoegankelijke plaats. Je hebt bouwmaterialen nodig, plaats voor tientallen ingenieurs en onderzoekers en frequente vluchten van en naar de bewoonde wereld.’
Werkt u vaak ter plaatse?
‘Nee. Ik hoef er niet te zijn. Ik wil als hoofdonderzoeker het voorbeeld geven door niet als ‘toerist’ naar de Zuidpool te gaan. Er gebeurt zoveel wetenschappelijk onderzoek dat de echte beperking van het onderzoek ligt in het aantal beschikbare bedden. Op een bepaald moment overwogen we om twee onderzoekers hetzelfde bed te laten delen: de ene ’s nachts, de andere overdag. Dezelfde beperking hebben we ook met het aantal beschikbare computers. Er is altijd een competitie naar beschikbare plaatsen. Ik ben theoreticus. Ik kan er echt niets gaan doen. Er zit heel veel expertise in dit experiment, maar niemand kon een taakje voor mij bedenken (lacht).’
Hoeveel wetenschappers hebben dat geluk wel?
‘Weinig. Je kunt er nu eenmaal niet veel gaan doen. IceCube zit diep in het ijs. Als er iets stuk gaat, dan is het definitief verloren. Herstellen is onmogelijk want je kunt er niet bij. Het enige dat aan de oppervlakte zit, is een gebouw van twee verdiepingen gevuld met computers. Vorige zomer gingen er geen fysici naar de detector, alleen onderhoudspersoneel. De zomer daarvoor zijn er misschien tien mensen geweest. De helft om oude computers te vervangen, de andere helft om elektronica te herstellen. Van februari tot oktober gaat het Zuidpoolstation sowieso dicht want dan zijn er geen vluchten mogelijk. Twee mensen blijven wel de hele winter bij IceCube.’
Hoe belangrijk is de bijdrage van Belgische onderzoekers?
‘De groep onder leiding van VUB-ULB en UMons is momenteel de grootste in de zoektocht naar donkere materie. Voor een grote klasse van theoretische modellen is IceCube de gevoeligste detector. De hoop is daarom erg groot dat zij binnenkort als eersten donkere materie zullen vinden. Ook wetenschappers van de Universiteit Gent werken mee aan IceCube. Zij analyseren de data van de detector aan het oppervlak van het ijs. De Gentse onderzoekster Freija Descamps verbleef een jaar onafgebroken op de Zuidpool om de detector in de gaten te houden. Negen maanden daarvan waren in complete isolatie, met buiten alleen complete duisternis en temperaturen van vijftig graden onder nul.’
Doet het deugd om met dit eredoctoraat (Francis Halzen ontving een Gents eredoctoraat in 2014, red.) erkenning vanuit België te krijgen?
‘Enorm. Ik ben in de voorbije veertig jaar de band met België verloren. Ik dacht dat ze mij daar ook vergeten waren. Weet je, wetenschap heeft me op de meest afgelegen plaatsen ter wereld gebracht, maar Gent is de meest exotische plaats waar ik een eredoctoraat had kunnen ontvangen (lacht). Dit heeft dan ook indruk op mij gemaakt.’
Binnenkort bent u wat vaker hier, want dan geeft u via de Francqui-Leerstoel colleges aan verschillende universiteiten. Wat wil u zeker doen in België?
‘Mijn familie bezoeken. Fietsen. En naar zee gaan. Ik ben vergeten hoe België eruitziet. Ik ben heel benieuwd.’
Francis Halzen
Francis Halzen (Tienen, 1944) studeerde wiskunde en natuurkunde aan de KU Leuven en promoveerde er in de theoretische fysica. Sinds 1971 is hij verbonden aan de University of Wisconsin-Madison (VS). Tussendoor werkte Halzen ook aan het CERN en de universiteiten van Durham en Tokio. In 2013 ontving hij als directeur van het Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) de ‘Physics World Breakthrough of the Year Award’ voor de observatie van de eerste kosmische neutrino’s.
