Het is zo groot als de provincie Zuid-Holland en omvat op de pampa honderden meetstations: het Pierre Auger-observatorium voor kosmische straling in de provincie Mendoza in Argentinië. Dit jaar bestaat het observatorium 20 jaar. Maar het is nog lang niet uitgekeken op de superversneller van Moeder Natuur.
Van 14-16 november is het stadje Malargüe in de provincie Mendoza, Argentinië, het centrum van de festiviteiten rond het Pierre Auger Observatory, dit najaar 20 jaar oud. Daar staat in een lommerrijke buitenwijk in het noorden het hoofdkwartier van de grootste deeltjesdetector op aarde.
Van de detector zelf is er niets te zien. Die staat verspreid over een gebied van 3000 vierkante kilometer aan de voet van de Andes en heeft de gedaante van 1600 manshoge ronde watertanks met een zonnepaneel, her en der op de pampa. Het domein van kudde’s koeien en gaucho’s, stof en wind.
Die hermetisch gesloten tanks ogen misschien primitief, maar maken het mogelijk om te kijken naar kosmische straling met extreem hoge energie. Letterlijk honderdduizenden tot een miljard keer zoveel energie als waarmee protonen op elkaar botsen in de grootste versneller op aarde, de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève.
Waterbassins
De tanks (SD of surface detectors) bevatten een waterbassin van ruim een meter diep, omgeven door lichtsensoren. Die kijken naar blauw Cherenkov-licht dat ontstaat als een geladen deeltje met hoge energie door het water schiet. Lawines van zulke deeltjes (elektronen, fotonen en muonen) ontstaan hoog in de atmosfeer als daar een hoog-energetisch deeltje uit de kosmos botst.
Dat gebeurt per vierkante kilometer aardoppervlak misschien één keer per jaar. Maar voor de wetenschap zijn het extreem veelzeggende gebeurtenissen. Door de signalen in de tanks met elkaar te combineren en tijdverschillen te meten ontstaat een beeld van de bron van de inslag en een idee wat de inslag precies veroorzaakte, iets zo licht als waterstof, of zo zwaar als ijzer, of misschien wel iets er tussenin.
Langs de rand van het gebied vol SD-tanks houden 27 lichtgevoelige telescopen de nachthemel in de gaten, speurend naar ultraviolet licht dat ook bij de inslagen ontstaat. Daarvoor moet het een onbewolkte en maanloze nacht zijn.
Immense energie
Met hun instrumenten kijken wetenschappers van ondermeer Nikhef op zo’n moment hoe dan ook rechtstreeks in de superdeeltjesversneller van Moeder Natuur. Wat precies de bronnen zijn van de enorm energetische inslagen vanuit de kosmos, is daarbij een belangrijke astrofysische vraag. Deeltjesfysici zijn vooral geïnteresseerd in de vraag hoe de natuur deeltjes zo gigantisch kan versnellen. En de vraag wat botsingen bij zulke immense energie vertellen over de basiskrachten die het universum bij elkaar houden.
Het idee voor een detector als in Argentinië werd in 1992 al geopperd door de Amerikanen Jim Cronin en Alan Watson om daarmee deeltjeslawines van inslaande kosmische straling te bekijken. In het jaar 2000 werd met de constructie begonnen, met steun van tientallen landen en organisaties. Nikhef is vanaf 2005 betrokken geweest bij Pierre Auger. In 2004 leverde het project van toen honderd grondstations zijn eerste wetenschappelijke resultaten. Drie jaar later, in 2007, liet het observatorium zien dat de meest energie inslagen een relatie hebben met onrustige kern van sommige sterrenstelsels buiten de Melkweg.
Twee jaar later werd aangetoond dat er een limiet lijkt te bestaan aan de energie van kosmische straling in het heelal, de zogeheten GZK-grens. Die bestaat in theorie omdat deeltjes steeds meer last krijgen van de kosmische achtergrondstraling, een restant van de oerknal.
Vijfmaal zo hard als in de LHC-verneller
In 2012 presenteerde Auger de eerste schatting van de botsingseigenschappen van protonen bij een energie van 57 TeV, bijna vijfmaal zo hoog als wat de LHC-versneller in Genève haalt. In 2017 noemde het vakblad Physics World het Pierre Auger Observatory een van de doorbraken van het jaar omdat werd aangetoond dat de bronnen voor de hoog-energetische kosmische deeltjes buiten het Melkwegstelsel liggen.
In 2018 kende het Nederlandse NWO-Groot-programma 2,5 miljoen euro toe voor nog een belangrijke toevoeging aan het bestaande Auger-observatorium. Voor dat geld wordt een groot aantal eenvoudige en robuuste radioantenne’s gebouwd voor op de grondstations. Die kunnen nog meer detailinformatie geven over de deeltjeslawines van inslaande kosmische deeltjes. De systemen worden in de Nikhef-groep aan de Radboud Universiteit in Nijmegen ontwikkeld.
Nikhef en de Radboud Universiteit zijn ook nauw betrokken bij het ontwerp van een eerdere uitbreiding van Auger. Op de watertanks worden ook zogeheten scintillatievlakken geplaatst, die anders reageren op elektronen en muonen (een zwaardere versie van het elektron) in de deeltjeslawines dan de watertanks, zodat ze apart kunnen worden geteld.
Tot nog toe konden de SD-tanks die twee typen deeltjes niet scheiden, terwijl het onderscheid van belang is om de botsingen bij ultrahoge energie in de atmosfeer goed te begrijpen. Er zijn al enkele jaren aanwijzingen in de Auger-metingen dat er meer muonen bij de ultrahoog-energetische botsingen ontstaan dan de deeltjestheorie voorspelt.
Panelen uit Nijmegen
Onlangs rondde de Nikhef-groep in Nijmegen de constructie af van 180 van zulke scintillating surface detectors af, ongeveer eenachtste van wat er nodig is. Ze zullen in de loop van december in Argentinië arriveren. De rest wordt door instituten elders in de wereld gebouwd, vooral Europa. De eerste 500 van zulke panelen zijn al in bedrijf in Argentinië.
In de scheepslading nieuwe panelen uit Nijmegen zitten ook speciale frames om de nieuwe onderdelen op de tanks te kunnen bevestigen. Die frames zijn door Nederlandse industrie gebouwd.
Onderhandeld met landeigenaren
De scintillatiepanelen mogen onder geen beding op de grond worden geplaatst. Niet omdat daar fysisch iets tegen is, maar omdat de plaatsing van de tanks op de pampa met enige moeite met de landeigenaren is onderhandeld. Die afspraken openbreken is uitgesloten, heeft Auger op voorhand besloten. Om dezelfde reden worden de radioantenne’s ook weer op de Cherenkov-tanks geplaatst. In april is de eerste antenne geplaatst, als tests. In november worden een aantal prototypes geplaatst. In de tweede helft van 2020 zal worden begonnen met de installatie van een antenne op alle watertanks.