Spoor enkel neutrino teruggeleid naar kosmische bron – blog post van Daan van Eijk

13 - 07 - 2018


“Weet je nog waar je was toen…?” Iedereen kent dat soort vragen. En veel mensen zullen je schaapachtig aankijken als je die vraagt eindigt met ‘…toen de ontdekking van het higgsdeeltje bekend werd gemaakt’. Maar dat geldt natuurlijk niet voor deeltjesfysici! Ik durf te wedden dat ze één voor één precies weten waar ze waren en met wie ze toen champagne gedronken hebben. En datzelfde geldt voor de iets recentere ontdekking van zwaartekrachtsgolven.

Ik weet het zelf ook nog: beide keren was ik op Nikhef. Bij de ontdekking van de Higgs nog als PhD-student voor LHCb, bij de zwaartekrachtsgolven als postdoc voor KM3NeT. En ook al had ik beide keren feitelijk niet meegewerkt aan de ontdekkingen, ik kan me toch de spanning van die dagen goed herinneren. Nikhef-medewerkers geven (opeens keurig netjes aangekleed!) persconferenties en overal zijn microfoons en camera’s. En thuis wordt je bevraagd door vrienden en familie hoe dat nou eigenlijk allemaal zit en wie precies die ene leuke collega op TV is.

En gisteren was het weer zo’n dag! Alleen ben ik niet op Nikhef. Ik ben dit keer in Madison, Wisconsin in de Verenigde Staten. Daar werk ik als postdoctoral fellow aan het hoofkwartier van het IceCube-experiment. Dat experiment kun je vergelijken met het KM3NeT-experiment waar Nikhef een grote rol in speelt. Beide experimenten zijn namelijk enorme (ongeveer een kubieke kilometer grote) neutrinodetectoren, met dat verschil dat IceCube zich in het ijs van de Zuidpool bevindt en KM3NeT op de bodem van de Middellandse Zee. En dat IceCube al gebouwd is en data verzamelt sinds 2008, terwijl KM3NeT nog in aanbouw is.

Wat zijn neutrino’s en hoe detecteer je ze?

Om uit te leggen wat er gisteren bekend werd gemaakt, moet ik eerst uitleggen wat neutrino’s zijn, hoe een neutrinodetector werkt en wat IceCube eerder al ontdekt heeft. Neutrino’s zijn fundamentele deeltjes met bijzondere eigenschappen: ze hebben geen lading, een uiterst kleine massa en ‘voelen’ alleen de zwakke wisselwerking. In de praktijk komt het er op neer dat er onvoorstelbaar veel neutrino’s zijn, maar je ze zelden detecteert omdat ze nagenoeg nooit een interactie aangaan met materie. Dat is de reden waarom neutrinodetectoren zo groot worden gebouwd: op die manier maak je de kans groter om af en toe toch nog eens een neutrino te detecteren.

Als een neutrino in (de buurt van) de detector een interactie aangaat met een atoomkern in bijvoorbeeld het ijs, zeewater of de aardkorst, gebeurt iets bijzonders: het neutrino wordt omgezet in een ander deeltje: een elektron, een muon of een tau, afhankelijk van of het oorspronkelijke neutrino respectievelijk een elektron-neutrino, een muon-neutrino of een tau-neutrino was. Die geproduceerde deeltjes hebben veel energie en bewegen sneller dan het licht in ijs (want de snelheid van licht is lager in media zoals ijs en water, vergeleken met de snelheid van het licht in vacuüm), waardoor er zogeheten Cherenkov-licht wordt uitgezonden. Dat Cherenkov-effect kun je vergelijken met een straaljager die door de geluidsbarrière gaat: de straaljager gaat harder dan het geluid in lucht en daardoor ontstaat een knal. Op dezelfde manier maakt een muon dat sneller gaat dan de snelheid van het licht in ijs een ‘knal’ van Cherenkov-licht. De detectie van neutrino’s is dus indirect: we detecteren Cherenkov-licht, waaruit we concluderen dat er oorspronkelijk een neutrino was. Dat licht is trouwens vrij zwak en dat is één van de redenen waarom zowel IceCube als KM3NeT op grote diepte in het ijs of water is gebouwd, waar het pikdonker is.

Zowel IceCube als KM3NeT bestaat uit lange verticale lijnen met daaraan om de zoveel meter een glazen bol met daarin een lichtdetector. Op die manier ontstaat een gigantisch driedimensionaal raster van lichtdetectoren, waarmee we met ongekende precisie de propagatie van Cherenkov-licht door de detector kunnen bepalen. De richting waarin het licht zich beweegt zegt iets over de oorspronkelijke richting van het neutrino en de totale hoeveelheid licht die in de detector wordt ‘gedumpt’ zegt iets over de totale hoeveelheid energie van het neutrino.

Ontdekking in 2013: kosmische neutrino’s bestaan

In 2013 maakte IceCube haar eerste grote ontdekking bekend, die samengevat kan worden als: er bestaan kosmische neutrino’s. Of iets uitgebreider: de aarde wordt gebombardeerd met zeer hoog-energetische neutrino’s die uit het verre heelal komen. IceCube had meerdere neutrino’s gedetecteerd die zoveel energie hadden dat ze onmogelijk hier op aarde geproduceerd hadden kunnen worden; ze moesten dus wel uit het heelal komen. Er was alleen één probleem: de hoekresolutie van IceCube was niet goed genoeg om te zeggen waar die kosmische neutrino’s precies vandaan kwamen. Tot gisteren dus.

Ontdekking in 2018: blazars zijn een bron van kosmische neutrino’s

Op 22 september 2017 detecteerde IceCube een neutrino met hoge energie, waarvan de kans vrij groot was dat het zo’n kosmisch neutrino uit het verre heelal was. Om die reden werd een bericht uitgestuurd naar alle grote telescopen van de wereld met de vraag of zij ook een kijkje konden nemen op die plaats aan de hemel. Al vrij snel bleek dat dit neutrino precies leek te komen uit de richting van een bekende bron. Deze bron met de naam TXS 0506+056 is een zogeheten blazar: een superzwaar zwart gat in het centrum van een melkwegstelsel op een afstand van 4 miljard lichtjaar dat allerlei deeltjes ‘uitspuugt’ in de richting van de aarde.

Multi-messenger astronomie

Het belangrijkste nieuws van vandaag is dus dat we voor het eerst een bron van kosmische neutrino’s aan de hemel hebben geïdentificeerd. Dat hebben we gedaan doordat er naast een hoog-energetisch neutrino ook lichtdeeltjes uit dezelfde richting werden gedetecteerd. Daarmee is neutrino-onderzoek nu écht officieel onderdeel van multi-messenger astronomie, een vakgebied dat hiermee een nog bredere basis heeft gekregen: het bestuderen van het heelal door het detecteren van lichtdeeltjes, zwaartekrachtsgolven, kosmische straling én neutrino’s.

De toekomst van neutrino-astronomie en Nikhef

Er is – zoals altijd – nog veel te doen: we weten dat deze blazars slechts een klein deel van de kosmologische neutrinoflux kunnen verklaren. Er moeten dus nog andere soorten bronnen zijn. Om die te vinden hebben we nog grotere en betere neutrinodetectoren nodig. Daar komt ook KM3NeT om de hoek kijken. Doordat lichtdeeltjes minder verstrooien in water vergeleken met ijs zal de hoekresolutie van KM3NeT vele malen beter zijn dan IceCube.

Door de grote betrokkenheid bij KM3NeT, gecombineerd met de prominente rol die Nikhef speelt in het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven, hoop en vermoed ik dat er in het kader van de multi-messenger astronomie in de toekomst nog veel persconferenties, camera’s en microfoons op Nikhef te zien zullen zijn.

Door Daan van Eijk, ex-Nikhef-onderzoeker en nu postdoctoral fellow aan de University of Wisconsin, Madison voor het IceCube-experiment

Daan van Eijk op de website van UW Madison

University of Wisconsin Madison persbericht: Solving the Mystery of Cosmic Rays

Persbericht op Nikhef-website: Spoor enkel neutrino teruggeleid naar kosmische bron