MEMO
Aan: Leden van de Raad van Bestuur van de
Stichting FOM
p/a Stichting FOM, Postbus 3021, 3502 GA UTRECHT
Van: zie lijst van ondertekenaars[1]
Datum: 28 april 2004
Betreft: Astrodeeltjesfysica in Nederland
CC: Stichting ASTRON, Gebiedsbestuur E van
NWO
Samenvatting: Op 26 april 2004 is er een symposium georganiseerd in Amsterdam over een zich snel ontwikkelend gebied op het grensvlak van de natuurkunde en de sterrenkunde: astrodeeltjesfysica. Nu gebleken is dat meer dan 95% van de kosmos niet bestaat uit gewone materie en de grenzen van het Standaard Model van deeltjes en velden in zicht komen, wordt het steeds duidelijker dat er zeer belangrijke doorbraken in dit nieuwe interdisciplinaire gebied verwacht mogen worden. Tijdens het symposium hebben astrofysici, deeltjesfysici en kernfysici vastgesteld dat er unieke mogelijkheden bestaan voor bijdragen van de Nederlandse fysica aan dit nieuwe interdisciplinaire vakgebied door deel te nemen aan de projecten KM3NeT en LOFAR. Om deze plannen te realiseren moet er nu een aantal stappen worden gezet door de Stichting FOM, die wij voorleggen aan de Raad van Bestuur van FOM: (i) in de definitieve versie van het Strategisch Plan van FOM/GBN 2004 – 2010 moet het grote belang van de astrodeeltjesfysica als nieuw interdisciplinair vakgebied onderkend worden; (ii) er moet gezocht worden naar wegen om financiële ruimte te creëren om dit nieuwe vakgebied op de grens van de sterrenkunde en de natuurkunde van de grond te krijgen; (iii) er moet een commissie ingesteld worden van astronomen, deeltjesfysici en kernfysici om een uitgewerkt plan op te stellen voor de vorming van dit nieuwe vakgebied binnen NWO.
Op het grensvlak van de natuurkunde en de
sterrenkunde zijn op dit moment een aantal stormachtige ontwikkelingen gaande.
Neutrino's blijken niet massaloos te zijn, de zichtbare materie blijkt slechts
4% van het totale energiebudget van de kosmos te representeren, er zijn
aanwijzingen voor het bestaan van volstrekt nieuwe vormen van (donkere) materie
en (donkere) energie, en er zijn kosmische stralen waargenomen met een energie
die hoger is dan volgens gangbare theorieën mogelijk is. Tegelijkertijd worden
er theoretische kaders ontwikkeld die verder gaan dan het Standaard Model van
deeltjes en velden, en wordt er gespeculeerd over de rol van hypothetische
supersymmetrische deeltjes (als mogelijk onderdeel van de donkere materie), de
experimentele waarneming van extra dimensies, zwaartekrachtsgolven en de
productie van mini zwarte gaten. Deze wetenschappelijke ontwikkelingen kunnen zulke
verstrekkende gevolgen hebben, dat het niet kan worden uitgesloten dat er een
nieuw natuurkundig paradigma in het verschiet ligt.
Het fundamenteel natuurkundig onderzoek in Nederland
zal bij deze ontwikkelingen betrokken moeten zijn, en waar mogelijk een
leidende rol spelen. Dit wordt onderkend in het concept Strategisch Plan van FOM/GBN 2004 - 2010 (FOM - 03.1434), waar op
pagina 32 voorgesteld wordt om 2.5 M€ per jaar (via een accresaanvraag bij NWO)
te reserveren voor de ontwikkeling van dit vakgebied op het grensvlak van de deeltjesfysica
en de astronomie, dat kan worden aangeduid als astrodeeltjesfysica. Nu de Raad van Bestuur op het punt staat de definitieve
tekst van het Strategisch Plan vast te stellen, is het van belang om te komen
tot een meer concrete aanbeveling voor de ontwikkeling van dit nieuwe
interdisciplinaire vakgebied. Ter voorbereiding hiervan is er op 26 april 2004
een symposium georganiseerd met als titel “Astroparticle
Physics” in Amsterdam. Tijdens dit symposium kwamen meer dan 120 astronomen,
deeltjesfysici en kernfysici bij elkaar om te spreken over toekomstige
mogelijkheden voor wetenschappelijk onderzoek op het gebied van de astrodeeltjesfysica
in Nederland. Naast voordrachten over de centrale fysische en sterrenkundige
vraagstellingen, zijn mogelijke experimenten, detectoren en de uitdagingen op
het gebied van computing en dataverwerking aan de orde geweest. Dit memo is een
weerslag van deze bijeenkomst[2].
In de afgelopen jaren is er binnen het natuurkundig
onderzoek in Nederland al een aantal initiatieven genomen op het terrein van de
astrodeeltjesfysica. Midden jaren negentig is er een project geëntameerd om een
bolvormige zwaartekrachtsgolfdetector
(GRAIL) te ontwikkelen. Kort daarna is in Nijmegen het initiatief genomen om
het L3 experiment bij LEP (CERN) geschikt te maken voor de waarneming van kosmische straling. Dit succesvolle
project heeft al geleid tot een drietal proefschriften. Eind jaren negentig is
er besloten om vanuit het NIKHEF deel te nemen aan het Europese ANTARES
project, een detector die op de bodem van de Middellandse Zee naar kosmische
zeer hoogenergetische neutrino's zal
speuren. Binnen dit project heeft de NIKHEF groep een aantal belangrijke
detectorconcepten aangedragen ("all-data-to-shore"), die de
reikwijdte van het project enorm vergroten. Ongeveer tegelijkertijd is in Groningen
op het KVI de bestudering van kernfysische reacties begonnen die relevant zijn
voor het begrijpen van supernovae en gamma-ray bursts. Dit heeft al
geresulteerd in verschillende publicaties en proefschriften. Ook kan vermeld
worden dat er in Nijmegen (op bescheiden niveau) deel genomen wordt aan het
‘Alpha Magnetic Spectrometer (AMS)’ experiment dat gericht is op het vinden van
directe bewijzen voor het bestaan van pure antimaterie
en donkere materie in het heelal[3].
De zich ontwikkelende interesse in kosmische
straling en de noodzaak de belangstelling voor exacte vakken op de middelbare
scholen te bevorderen, heeft ook geleid tot de constructie van waarnemingsstations
voor kosmische stralen op middelbare scholen. Dit initiatief, dat in Nijmegen
is gestart, is enthousiast ontvangen door leraren en scholieren. Inmiddels
heeft het project landelijk navolging gevonden, en staat het bekend onder de
naam HiSPARC. Het project illustreert op fraaie wijze hoe de drempel tussen
scholieren en grensverleggende wetenschap weggenomen kan worden.
De hierboven genoemde eerste activiteiten op
het gebied van de astrodeeltjesfysica tonen aan dat de interesse en deskundigheid
hiervoor al vele jaren in Nederland bestaan. De schaal van deze activiteiten is
echter momenteel onvoldoende om in te kunnen spelen op de grote ontwikkelingen in
de astrodeeltjesfysica zoals deze aan het begin van dit document zijn
geschetst. Om de gedachte te bepalen is het waarschijnlijk goed om de investeringskosten
van succesvolle neutrinodetectoren zoals SuperKamiokande (in Japan) of
belangrijke astrofysische satellieten zoals COBE of WMAP te vermelden. Deze
kosten belopen enige tientallen tot honderden miljoenen euro's. Het is daarom
duidelijk dat alleen een coherente inspanning van astronomen, deeltjesfysici en
kernfysici in Nederland ervoor kan zorgen dat er voldoende menskracht en middelen
ter beschikking komen om op het gewenste niveau – uiteraard in internationaal
verband – onderzoek te kunnen doen op dit nieuwe vakgebied[4].
Zowel in de Verenigde Staten als in Europa is
recent een groot aantal nieuwe initiatieven genomen op het gebied van de
astrodeeltjesfysica. Zo wordt op Antarctica een grote kosmische neutrinodetector
('IceCube') gebouwd, zijn er zowel in Europa als in de Verenigde Staten reusachtige
zwaartekrachtsgolfinterferometers (‘Virgo’, ‘Ligo’, ‘Lisa’) in ontwikkeling, en
worden er in Argentinië grote detectoren voor kosmische stralen (‘Pierre Auger’)
gebouwd. Deze projecten, die slechts een greep vormen uit een groter aantal, illustreren
nogmaals welke vlucht het werk in de astrodeeltjesfysica wereldwijd heeft genomen.
Om te komen tot een gerichte bijdrage vanuit Nederland aan dit veld, moet
nagegaan worden waar de Nederlandse fysica (en fysici) een cruciale en
innoverende rol kunnen spelen. Op basis van dit soort overwegingen is tijdens het
symposium van 26 april 2004 vastgesteld dat er dergelijke unieke kansen liggen
voor de Nederlandse fysica bij de projecten KM3NeT en LOFAR, die hierna elk
apart kort worden toegelicht.
Het KM3NeT is een Europese ontwerpstudie die
moet leiden tot een detector met een volume van ongeveer 1 km3 welke
op de bodem van de Middellandse Zee geplaatst zal worden. Met deze detector
kunnen neutrino's van de allerhoogste energieën (1012 – 1020
eV) worden waargenomen, dat wil zeggen dat hiermee een energiegebied wordt
bestreken dat in de voorzienbare toekomst niet met behulp van
deeltjesversnellers kan worden bestudeerd. Dit is van het grootste belang omdat neutrino’s van hoge energie het
vervalsproduct kunnen blijken te zijn van de annihilatie van supersymmetrische
deeltjes of andere kandidaten voor donkere materie[5].
Tevens kan hiermee voor het eerst neutrino astronomie worden bedreven, waarmee
het mogelijk wordt om –bijvoorbeeld– de structuur en het werkingsmechanisme van
de meest energierijke bronnen in de kosmos ('Gamma-Ray Bursts' en 'Active Galactic
Nuclei') op te helderen. Zo bevindt zich vermoedelijk in het centrum van het
Melkwegstelsel een zwaar zwart gat van 3 x 106 zonnemassa’s
dat een bron van neutrino's van zeer hoge energie zou kunnen blijken te zijn. Binnen
het KM3NeT project kan Nederland een prominente rol spelen vanwege de bestaande
expertise op het gebied van de informatietechnologie,
en meer in het bijzonder m.b.t. het zogenaamde all-data-to-shore concept dat bij het ANTARES project al zeer
succesvol is gebleken. Deze nieuwe technologie vergroot de mogelijkheden van de
neutrinodetector enorm omdat de richtingsgevoeligheid en tijdsgevoeligheid van
de signalen hiermee substantieel verbeterd worden.
Het LOFAR project omvat de constructie van
een zeer grote radiosynthesetelescoop, waarvan het centrum in het oosten van de
provincie Drente komt te liggen. Met deze 'Low Frequency Array' zal
radioastronomie bedreven worden in het tot nu toe vrijwel ongeëxploreerde gebied
tussen 10 en 250 MHz. Het project is geïnitieerd door de Nederlandse
astronomische gemeenschap. Met deze telescoop wordt het mogelijk om waarnemingen
te doen aan het vroege heelal en de eerste sterren en melkwegstelsels die
ontstaan zijn na de oerknal. Voor de astrodeeltjesfysica biedt dit project
verschillende nieuwe en unieke mogelijkheden. Eén van de meest spectaculaire opties
is de gelijktijdige waarneming van radiostraling in LOFAR en gravitatiegolven
in LIGO (of VIRGO) die vermoedelijk uitgezonden worden bij een botsing tussen
twee neutronensterren of zwarte gaten. Daarnaast zal het mogelijk zijn om
coherente synchrotronstraling te meten die uitgezonden wordt door de cascade
van elektronen en positronen die geproduceerd worden na een botsing van een kosmisch
deeltje in de aardatmosfeer[6].
Met LOFAR kan hiermee naar de oorsprong van de zeer hoogenergetische kosmische
straling gezocht worden. Daarbij komen dezelfde vragen aan de orde als bij het
hoogenergetische neutrinospectrum dat door een km3 neutrinodetector
wordt waargenomen: wat is de oorsprong van de kosmische stralen, kunnen ze
vervalsproducten van nieuwe (donkere) materiedeeltjes zijn, etc. Voor de Nederlandse
astrodeeltjesfysica leidt de complementariteit van de KM3NeT en LOFAR projecten
tot een daadwerkelijke internationale meerwaarde van de onderzoeks-inspanning.
Omdat het LOFAR project voor een groot deel al door de Nederlandse overheid zal
worden gefinancierd (ten behoeve van de radioastronomie en de verbetering van
de kennisinfrastructuur in het noordoosten van het land), biedt dit project bovendien
de unieke mogelijkheid om met een bescheiden additionele inspanning een nieuw
interdisciplinair vakgebied van de grond te krijgen. Hoe vruchtbaar
interdisciplinair onderzoek kan zijn bleek al tijdens het symposium van 26
april 2004, waar kernfysici uit Groningen en deeltjesfysici uit Nijmegen ideeën
lanceerden over mogelijke uitbreidingen van het LOFAR concept op de middellange
termijn[7].
Om een goed wetenschappelijk klimaat te
scheppen voor de astrodeeltjesfysica in Nederland is het van belang om naast
experimenteel werk aan KM3NeT en LOFAR, ook actief te zijn op het gebied van de
theoretische astrodeeltjesfysica (en kosmologie). In dit verband is het verheugend
dat verschillende theoretische groepen (in Amsterdam en daarbuiten) zich in
recente beleidsnotities hebben uitgesproken om in deze richting nieuwe
activiteiten te ontwikkelen. Daarbij worden onderwerpen genoemd zoals neutrinofysica,
supersymmetrie, unificatie van de ijkwisselwerkingen, donkere materie,
faseovergangen in het vroege heelal, inflatie en quantumgravitatie.
Een substantiële bijdrage van de Nederlandse
fysica aan KM3NeT en LOFAR geeft ook een directe impuls aan de kenniseconomie. Omdat
er gebruik zal worden gemaakt van innoverende technologieën, die nog niet
eerder massaal zijn toegepast, zal er nauw samengewerkt moeten worden met de
Europese industrie, die de opgedane expertise weer elders kan toepassen. Een
voorbeeld is de productie van een zeer groot aantal (orde 104 - 105)
photomultiplierbuizen met unieke eigenschappen (grote quantumefficiency en
mogelijk met meervoudige kathodes) voor KM3NeT. Een tweede voorbeeld ligt op
het terrein van de informatietechnologie. Bij zowel LOFAR als KM3NeT zullen enorme
dataverzamelingen worden geproduceerd die uitsluitend geïnterpreteerd kunnen
worden indien er geavanceerde dataverwerkings-, dataopslag- en datadistributietechnieken
beschikbaar komen. Voor LOFAR wordt op dit gebied al samengewerkt met IBM, wat
mogelijk zal leiden tot de plaatsing van een geavanceerde supercomputer (‘Blue
Gene’) in Groningen voor de eerste verwerking van de meetgegevens. Voor KM3NeT
wordt gedacht aan de plaatsing van een lokaal cluster van PCs. Voor de verdere opslag,
verwerking en analyse van de nog steeds zeer grote dataverzamelingen zal mogelijk
gewerkt moeten worden aan een gedistribueerde computerinfrastructuur, ook wel
aangeduid als 'Grid Computing'. Op dit gebied is in de deeltjesfysica (NIKHEF)
een grote expertise opgebouwd, onder meer door deelname aan nationale en
Europese projecten. Deze technologie zal verder worden ontwikkeld in het kader
van het zogenaamde VL-e (Virtual Laboratory for e-Science) project, dat recent
door de overheid is goedgekeurd (Bsik gelden). In het VL-e project, dat geleid wordt
vanuit het Instituut voor Informatica in Amsterdam, zal vooral het subprogramma
Data-intensive sciences relevante
kennis opleveren voor de verwerking van grote databestanden, zoals deze
geproduceerd zullen worden door LOFAR en KM3NeT. In dit subprogramma wordt al
samengewerkt tussen deeltjesfysici en astronomen. De bijdrage van dit werk aan
de kenniseconomie is zeer direct in dit geval, vanwege de betrokkenheid van de
volgende bedrijven en instellingen bij het VL-e project: IBM, KPN-telecom,
LogicaCMG, Philips en SARA. Een tweede Bsik project, 'Gigaport Next
Generation', waarmee VL-e nauw samenwerkt, zal borg staan voor de levering van
de benodigde, breedbandige netwerkinfrastructuur binnen Nederland. Deze
voorbeelden laten zien hoe de astrodeeltjesfysica een bijdrage zal leveren aan de
vergroting (en profilering) van de ICT expertise in Nederland in nauwe
samenwerking met het bedrijfsleven.
Uit het bovenstaande moge duidelijk zijn dat
er grote verwachtingen bestaan m.b.t. de snelle ontwikkeling van de astrodeeltjesfysica
in de nabije toekomst. Tevens is duidelijk dat er unieke mogelijkheden bestaan
voor bijdragen van de Nederlandse fysica aan dit nieuwe interdisciplinaire
vakgebied door op substantieel niveau deel te nemen aan de projecten KM3NeT en
LOFAR. Om deze plannen te realiseren moet nu op bestuurlijk niveau een aantal stappen
worden gezet. Concreet leggen wij daarom de volgende verzoeken neer bij de Raad
van Bestuur van FOM:
Wij gaan ervan uit dat deze verzoeken
besproken zullen worden in de eerstvolgende vergadering van de Raad van Bestuur
van de Stichting FOM. Uiteraard zijn wij bereid een delegatie uit ons midden
samen te stellen die onze voorstellen in uw vergadering kan toelichten.
[1] De correspondentie met betrekking tot deze brief kan gericht worden aan G. van der Steenhoven, NIKHEF, Postbus 41882, 1009 DB Amsterdam (email: gerard@nikhef.nl).
[2] Informatie over het symposium is te vinden op http://www.nikhef.nl/astroparticle/, waar naast het programma en de deelnemerslijst ook elk van de presentaties beschikbaar is.
[3] Het koelingsysteem van het AMS experiment, dat geïnstalleerd zal worden in het International Space Station (ISS), is door het NIKHEF ontwikkeld.
[4] Naast een bijdrage aan de totale investering die nodig is voor de bouw van een nieuwe (internationale) faciliteit op het gebied van de astrodeeltjesfysica, zal er ook een (veel kleinere) bijdrage aan de exploitatiekosten geleverd moeten worden. De ervaring leert echter dat deze bijdrage relatief klein zal zijn vergeleken met de normale personele en institutionele kosten van een wetenschappelijke activiteit.
[5] Zo bestaat er het vermoeden dat de lichtste supersymmetrische deeltjes (‘neutralino’s’) zich ten gevolge van de zwaartekracht zouden kunnen ophopen in zware hemellichamen, waar zij annihileren. Daarbij zullen neutrino’s vrijkomen die waarneembaar zijn indien de detectiedrempel laag genoeg is (1011 – 1012 eV). Het op deze pagina beschreven all-data-to-shore concept vergroot de richtingsgevoeligheid van de detector zodanig dat de drempel verlaagd kan worden tot 1011 eV, en het mogelijk wordt neutrino’s afkomstig van een te voren gekozen hemellichamen (zoals het centrum van het Melkwegstelsel) te identificeren.
[6] In Nijmegen wordt gewerkt aan het gebruik van LOFAR voor de waarneming van kosmische straling. Hiervoor heeft de Stichting FOM in 2003 een projectruimtevoorstel goedgekeurd.
[7] Zo wordt overwogen om LOFAR uit te breiden met detectoren die gevoelig zijn voor de muonen die geproduceerd worden door de kosmische straling en de grond bereiken. Daarnaast is op het KVI het idee ontstaan om met dipoolantennes in diepe zoutkoepels signalen waar te nemen die afkomstig zijn van neutrino’s van zeer hoge energie. In Nijmegen is gesuggereerd om de antennes die voor LOFAR ontwikkeld zijn ook te installeren bij het Pierre Auger Observatory op het zuidelijke halfrond, waardoor vergelijkbare waarnemingen op elk halfrond gedaan kunnen worden.
[8] De exacte hoeveelheid geld die nodig zal zijn voor investeringen, personele lasten, infrastructuur en exploitatiekosten kan uiteraard pas worden vastgesteld als de onder 3 genoemde commissie zijn werk heeft afgerond. De in het concept Strategisch plan van FOM/GBN 2004 - 2010 (FOM - 03.1434) genoemde 2.5 M€ representeert een eerste indicatie van de orde van grootte van de verwachte jaarlijkse kosten (exclusief investeringen).