Een bloedhete soep van continu tegen elkaar botsende minuscule deeltjes. Zo zag volgens de heersende theorieën ons heelal eruit meteen na de oerknal. Het NWA-project ‘One second after the big bang’ gaat op zoek naar nieuwe getuigen van dit allereerste begin: exotische spookdeeltjes genaamd neutrino’s.
‘De oerknal is de meest belangrijke gebeurtenis in de wereldgeschiedenis. En toch hebben we maar een paar stukken experimenteel bewijs die ons vertellen hoe dat precies in zijn werk is gegaan,’ motiveert projectleider Auke Pieter Colijn van de Universiteit van Amsterdam en Nikhef het belang van dit onderzoek. Op basis van de kosmische achtergrondstraling, licht dat is uitgezonden door de oersoep toen die al een behoorlijk eindje was afgekoeld, kunnen we een foto maken van het heelal toen het 400.000 jaar oud was. ‘Zeg maar de peuterleeftijd. Wij willen nu proberen om de allereerste babyfoto te maken – een opname van hoe het heelal eruit zag een seconde na zijn geboorte,’ legt Colijn uit.
Ongrijpbare deeltjes vangen
Om deze foto te kunnen maken moeten de wetenschappers methodes ontwikkelen waarmee ze deeltjes genaamd neutrino’s kunnen detecteren. In de exotische wereld van de deeltjesfysica behoren neutrino’s tot de meest ongrijpbare beestjes. Ze zijn onzichtbaar, hebben geen elektrische lading, wegen praktisch niets en vliegen grotendeels ongehinderd door alles en iedereen heen. Zo wordt iedere mens op aarde elke seconde gebombardeerd door miljarden neutrino’s. Omdat ze vrijwel nergens wisselwerking mee hebben merk je daar gelukkig niks van. Toch zijn wetenschappers erop gebrand ze te vangen. Juist omdat neutrino’s vanaf het moment van hun ontstaan ongehinderd rechtdoor vliegen, bevatten ze veel informatie over de omgeving waarin en de omstandigheden waaronder ze zijn ontstaan.
‘In ons experiment gaan wij op zoek naar de meest ongrijpbare van deze deeltjes,’ vertelt Colijn. Het betreft zogeheten relikwieneutrino’s: neutrino’s die zijn geboren tijdens de Big Bang en sindsdien al meer dan 13 miljard jaar hun weg zoeken door het heelal. In de tussentijd zijn ze zodanig afgekoeld dat ze nog maar heel erg weinig energie overhebben. Dat maakt ze extreem veel moeilijker te detecteren dan hun broertjes die bijvoorbeeld afkomstig zijn van de zon, en waarvoor eerder al enorme ondergrondse en onderzeese detectoren zijn gemaakt zoals Super-Kamiokande en KM3NeT.
Hoog risico, hoge beloning
Colijns NWA-project draagt dan ook een hoog risico, zegt hij eerlijk. ‘De kans dat we iets kunnen maken waarmee we deze neutrino’s ook daadwerkelijk kunnen zien is niet heel groot. Maar áls het lukt… dan ligt er zeker een Nobelprijs te wachten.’ Het idee voor het experiment dat de onderzoekers willen gaan bouwen is niet nieuw. ‘De basis achter onze detectiemethode is al in 1962 bedacht door Nobelprijswinnaar Steven Weinberg. We gaan gebruikmaken van een bestaande reactie in een speciale vorm van waterstof, tritium genaamd. Dat is een instabiele stof die spontaan radioactief verval vertoont waarbij onder andere een elektron ontstaat. Als dat tritium toevallig een relikwieneutrino heeft opgenomen voordat het verviel, dan is de energie van dat elektron net iets groter dan normaal. En het is deze minieme afwijking die we gaan proberen te meten.’
Hoewel dit proces theoretisch moet kunnen werken is er nog erg veel onzeker. ‘Is tritium bijvoorbeeld wel het meest voor de hand liggende materiaal om dit experiment mee uit te voeren? We hebben dit materiaal gekozen omdat er per gram tritium een miljard keer een miljoen keer per seconde zo’n vervalreactie in optreedt. En zelfs dan verwachten we maar vijf neutrino’s per jaar te kunnen detecteren, omdat het overgrote merendeel van die deeltjes nu eenmaal nergens mee reageert. Maar kunnen we dat materiaal lang genoeg stabiel houden om er ook een aantal jaar mee te kunnen doen? En dan heb ik het nog niet eens over de praktische rompslomp waar we mee te maken gaan krijgen – tritium is namelijk ook een grondstof voor kernwapens en zwaar gereguleerd.’
Gevoelige detector
Daarnaast ligt er een belangrijke technische uitdaging in het ontwerpen van een detector die de gezochte energie van de elektronen precies genoeg kan meten. Want uiteindelijk hopen de wetenschappers vijf keer per jaar een elektron te zien dat net iets meer energie heeft dan de tien miljard keer een miljard keer een miljoen broertjes en zusjes die in datzelfde jaar ook door het spontaan vervallende tritium zijn uitgezonden. ‘De eerste vraag is dan ook: kunnen we überhaupt een elektronendetector maken die die paar spelden in die immense hooiberg kan vinden? Als we die vraag aan het einde van dit project met “ja” beantwoord hebben, spring ik een gat in de lucht.’
Hoewel het NWA-project mooie kansen biedt, is deze uitdaging veel te groot voor dit project alleen. ‘Daarom maken we deel uit van een veel grotere internationale samenwerking, PTOLEMY geheten,’ vertelt Colijn. ‘In dit consortium, dat nu bestaat uit een kleine 60 wetenschappers van 23 instituten uit 7 verschillende landen, zitten onder andere onze collega’s van het Amerikaanse Princeton, het Italiaanse Laboratorio Nazionale di Gran Sasso en het Duitse Karlsruhe Institute of Technology (KIT) die ook partners zijn in ons NWA-project. Omdat dit onderzoek zo hoog risico is, is het moeilijk om er financiering voor te vinden. Iedere partner in het PTOLEMY consortium probeert dan ook voor kleinere deelprojecten steun te vinden, zodat we samen dit idee waar kunnen maken.’ In het NWA-project werkt Colijn nauw samen met zijn collega’s van Princeton. ‘Wij bouwen hier in Nederland samen met TNO een stukje van de elektronendetector, en in Princeton bouwen ze een ander deel. Ondertussen buigen de Radboud Universiteit en het KIT zich samen over de vraag of tritium inderdaad het juiste materiaal is om de neutrino’s in te vangen.’
Kennis verspreiden
Naast collega-wetenschappers bevat het NWA-consortium ook partijen die zich gaan bezighouden met kennisdisseminatie rondom dit project, benadrukt Colijn. ‘We hebben onder andere mensen van de Haagse Hogeschool aan boord die rondom dit project practica gaan ontwikkelen. Daarnaast hebben we een samenwerking met de Nederlandse Natuurkundige Vereniging. Hun voorzitter en wetenschapsjournalist Diederik Jekel is de leider van een deelproject omtrent outreach. Want vragen rondom het ontstaan van het heelal zijn interessant voor een grote doelgroep.’
Hoewel dit onderzoek voor Colijn zelf een zijstap is – zijn andere onderzoeksprojecten zijn gericht op het begrijpen van de minstens zo mysterieuze donkere materie – is hij zeer opgewonden over deze kans. ‘Natuurkunde en sterrenkunde zijn voor mij altijd al vooral ontdekkingsreizen geweest naar het onbekende. Met dit project proberen we 400.000 jaar verder terug in de tijd te gaan dan ooit eerder is gelukt. Dan kunnen we eindelijk onze blik richten op de allereerste momenten van ons universum. Stel je voor dat we daarin slagen! Mooier gaat het toch niet worden?’
Bron: NWO / Tekst: Sonja Knols-Jacobs