Neutrino’s zijn haast niet te vangen elementaire deeltjes. Maar als ze botsen maken ze wel geluid. Met een NWO-grant gaat Nikhef onderzoeker Ernst-Jan Buis dat meten in de zee.
Deze week honoreerde NWO een projectvoorstel voor de voltooiing van de KM3NeT neutrinodetector op de bodem van de Middellandse zee. Op de bodem bij Toulon wordt kilometers diep een netwerk aan lichtsensoren gebouwd dat de inslag van deeltjes kan vastleggen.
Een speciaal onderdeel van het voorstel is een opmerkelijk geesteskind van voormalig TNO-onderzoeker, en nu Nikhef staflid Ernst-Jan Buis. Hij wil met speciale microfoons gaan luisteren naar inslaande neutrino’s, in plaats van kijken.
Neutrino’s zijn elementaire deeltjes met haast spookachtige eigenschappen. Ze hebben nagenoeg geen massa en nauwelijks interacties met gewone materie, waardoor ze gemakkelijk dwars door de aarde kunnen vliegen. Fysici hebben nog veel vragen over de deeltjes zelf, bijvoorbeeld over die massa’s; bovendien zijn de bronnen in het heelal nog niet goed bekend.
Dat luisteren naar deeltjes een optie is, staat eigenlijk al wel vast. In de jaren zeventig van de vorige eeuw rekenden Russische onderzoekers al uit dat een extreem hoog-energetisch spookdeeltje water heel plaatselijk aan de kook brengt. Dat geeft een schokgolf die als geluid te meten moet zijn. In het lab en een zwembad is dat ook al met succes aangetoond, ook door Buis.
Hij ontwikkelde daartoe, in een samenwerking tussen Nikhef en TNO, een nieuw type onderwatermicrofoon dat in principe eenvoudiger, minder kwetsbaar en vooral ook minder duur zal zijn dan gangbare elektronische hydrofoons. Het principe van de nieuwe optische hydrofoons berust op een glasvezel die door geluid iets vormt en daardoor laserlicht met een meetbaar verschoven golflengte doorlaat.
Buis deed de afgelopen jaren experimenten met prototypes van het systeem en kwam tot de conclusie dat ze prima geluid in het juiste golflengtegebied zullen kunnen oppikken. Het idee is duizenden microfoons over een groot gebied te plaatsen en de signalen te combineren om deeltjessporen te zien.
Maar dat waren labtests. Nu, zegt Buis, is er eindelijk geld om het idee ook op volle zee te gaan testen. “Dat is wel even een ander verhaal dan een zwembad in Den Haag. Een praktijkproef moet uitwijzen of de apparatuur die we willen gebruiken langdurig bestand is tegen de barre maritieme omstandigheden met zout een miljard keer hogere waterdruk dan de geluidsdruk. Pas daarna kunnen we over een echte neutrinotelescoop met hydrofoons gaan nadenken.”
Het Nikhef-team studeert al wel op de omvang van een werkende akoestische neutrinotelescoop. Eerste schattingen komen uit op een watervolume van 100 kubieke kilometer, die nodig is om voldoende vaak een superenergetisch neutrino op te merken, die op zijn beurt niet met KM3NeT te zien zullen zijn. Het staat al vast dat het kleinere prototype bij de komende tests geen serieus signaal zal gaan oppikken.
De komende vijf jaar wil Buis en zijn team gebruiken om de apparatuur verder te ontwikkelen en vier proeflijnen te bouwen met in totaal zo’n vijftig hydrofoons. Deze lijnen zouden in principe in hetzelfde gebied geplaatst moeten worden als de lijnen met lichtsensoren van KM3NeT. “Meeliften op de zeecampagnes van KM3NeT scheelt heel veel geld en organisatie”, verwacht Buis.
Momenteel verkent hij mogelijkheden om samen te werken met de industrie voor het project, binnen en buiten Nederland. Nikhef bouwt in Amsterdam veel onderdelen voor KM3NeT detectorlijnen. Voor hydrofoons is daarnaast vermoedelijk geen plaats, denkt Buis.
In het project wordt al langer nauw samengewerkt met onderzoekers van het instituut voor zeeonderzoek NIOZ op Texel. Dat ziet in de nieuwe fibre-hydrofoons een uitgelezen kans om in de diepzee geluiden van zeeleven te bestuderen, bijvoorbeeld van jagende walvissen. Zeebiologen weten daar nog verrassend weinig over. De oceanen zijn het grootste ecosysteem op aarde, maar het is enorm lastig te onderzoeken.
Voor Buis is die extra belangstelling vanuit de zeebiologie bemoedigend, maar het geeft ook aan hoe lastig het zal zijn om het geluid van inslaande neutrino’s op te merken tussen alle andere geluiden onder water. Inspiratie daarbij kan overigens komen van KM3NeT dat ruime ervaring heeft met het oppikken van lichtflitsen in de donkere diepzee, terwijl er ook allerlei leven is, van algen en andere eencelligen tot vis, dat storen licht afgeeft.
Dagblad Trouw interviewde Ernst-Jan Buis over het project.
