Neutrino's zijn zowat de meest ongrijpbare deeltjes in het universum. Toch wordt er zo nu en dan eentje betrapt, bijvoorbeeld door de gigantische neutrinodetector op het Zuidpoolijs.
De Icecube-detector, een netwerk van meer dan vijfduizend lichtdetectors ingebed in het kilometersdikke ijs onder de geografische zuidpool, speurt al enkele jaren naar neutrino’s.
De resultaten zijn volledig in overeenstemming met wat het standaardmodel voorspelt – wat natuurlijk weer mooi is voor dat model
Daarbij is de ‘blik’ zowel naar boven (recht de ruimte in) als naar onder (in de richting van de noordpool) gericht. Door de resultaten vanuit die twee kijkrichtingen met elkaar te vergelijken hopen fysici te achterhalen hoe groot de kans is dat een neutrino botst met een materiedeeltje zoals een proton en een neutron. Die kans is enorm klein, maar hoe klein precies, daarover geeft het standaardmodel – nog steeds de beste toolkit om de deeltjesfysica te beschrijven – enkel theoretische voorspellingen. Het is maar de vraag of het standaardmodel standhoudt wanneer de eerste experimentele gegevens opduiken.
Het standaardmodel zegt dat de kans op interactie stijgt naarmate de energie van de neutrino’s toeneemt. En dus speurt Icecube naar hoogenergetische neutrino’s afkomstig van de aardatmosfeer (ontstaan uit de botsing van kosmische straling met stikstof en zuurstof) of rechtstreeks de zon of van andere objecten in het heelal.
Het wetenschappelijke team achter Icecube – dat geleid wordt door de Amerikaanse Belg Francis Halzen – heeft nu een analyse klaar van ruim tienduizend hoogenergetische neutrino’s die al werden ‘gevangen’ in 2010 en 2011. Voor degenen die uitkijken naar een nieuwe revolutie in de natuurkunde, stellen de resultaten van de analyse wellicht teleur. Ze zijn immers volledig in overeenstemming met wat het standaardmodel voorspelt – wat natuurlijk weer mooi is voor dat model. Bovendien konden de fysici op de Zuidpool méér neutrino’s vangen die van bovenaf kwamen aanvliegen, dan via de omgekeerde weg. Dat wijst erop dat de aarde inderdaad niet kansloos is tegen de quasi-ongrijpbare neutrino’s. (sst)
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', legt Francis Halzen uit. '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.’
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.’
