Neutrinotelescopen als KM3NeT in de Middellandse Zee en IceCube op de Zuidpool gebruiken de aarde als schild voor hoog-energetische neutrino’s uit de kosmos. Een team van Nikhef-onderzoekers kan nu uitrekenen wat een neutrino in dat schild overkomt.
Neutrinotelescopen als KM3NeT op de bodem van de Middellandse Zee of IceCube op de Zuidpool registreren maar een paar hoogenergetische spookdeeltjes per jaar. Maar in een artikel dat online is gepubliceerd op Arxiv laten theoretici Juan Rojo en Rhorry Gauld samen met experimentalisten Alfonso Garcia and Aart Heijboer zien dat die paar deeltjes veel kunnen vertellen over hun herkomst.
Ze rekenen uit wat de kans is dat een neutrino uit de kosmos dwars door de aarde vliegt en uiteindelijk een detector raakt.
Die kans is essentieel voor neutrino-experimenten om te begrijpen waar ze eigenlijk naar kijken. Vooral voor neutrino’s met hoge energie was dat nog niet eerder zo precies gedaan, zegt Rojo.
Neutrino’s zijn extreem lichte elementaire deeltjes die ondermeer bij kernreacties ontstaan, of heftige kosmische explosies of in actieve sterrenstelsels. Ze hebben nauwelijks interacties met gewone materie, reden dat ze vaak spookdeeltjes worden genoemd.
Elke seconde vliegen er ongemerkt zo’n 100 miljard neutrino’s van de zon door het oppervlak van een vingernagel. Omdat ze zo moeilijk te vangen zijn, is veel over neutrino’s nog niet precies bekend.
Grote neutrinotelescopen als KM3NeT (in aanbouw met Nikhef als belangrijke partner) en IceCube kijken om die reden omlaag waarbij de hele aarde als een soort massief vangnet werkt. De nieuwe theorie beschrijft zo precies mogelijk hoe dat vangnet bepaalt wat de detector zal zien van een stroom langszoevende neutrino’s.
Onderweg door de massieve aarde hebben neutrino’s uit de kosmos nauwelijks interacties met de atomen in gesteenten. Maar als dat wel gebeurt kunnen nog heel verschillende fysische processen in het spel zijn, van inelastische verstrooiing aan quarks en gluons in kerndeeltjes, tot verstrooiing aan fotonen of aan elektronen in atomen.
In hun artikel brengen de onderzoekers al die processen samen in een alomvattend computermodel dat voorspelt hoe een stroom hoogenergetisch neutrino’s er in de detector achter de aarde zal uitzien. Omgekeerd geeft dat een beter idee van de herkomst van een waargenomen neutrino.
Het rekenmodel, zegt Rojo, komt op een cruciaal moment in de neutrinofysica. ‘Tot nog toe was alles gericht op het vínden van de neutrinosignalen. Dat lukt. Maar nu willen we graag echt begrijpen wat we zien. Waar komen deze neutrino’s vandaan? Wat vertellen ze over hun bronnen?’
Bijzonder is daarbij dat een deel van het model is gebouwd op metingen in het LHCb-experiment op CERN in Genève van protonbotsingen in de Large Hadron Collider. Rojo: ‘De neutrinotelescopen lijken een totaal andere wereld dan de versnellers op CERN, maar hier zie je hoeveel die in werkelijkheid met elkaar te maken hebben.’
Het werk aan het nieuwe model heeft ook zelf interessante nieuwe inzichten gebracht, zegt Rojo. ‘De interactie van neutrino’s met protonen kennen we van de botsingen met losse protonen in de LHC-versneller op CERN. Maar hoe dat voor bijvoorbeeld een heel ijzeratoom werkt hebben we nu echt beter moeten uitzoeken.’
De software uit de studie is inmiddels ook openbaar gemaakt, en kan dus door alle neutrino-experimenten wereldwijd worden gebruikt. Dat spreek vanzelf voor KM3NeT dat in aanbouw is in de Middellandse Zee. Auteurs Heijboer en Garcia zijn van dat experiment. ‘Fysisch gezien is dit de beste theorie op de markt en zou heel verstandig zijn als iedereen het gebruikt’, zegt Rojo.
