Het XENONnT-experiment in Gran Sasso, Italië, heeft neutrino’s gedetecteerd die afkomstig zijn uit de kern van de zon. Dit is het resultaat van jarenlange metingen die zijn uitgevoerd in de ondergrondse detector voor donkere materie.
Het resultaat werd maandagmiddag bekendgemaakt tijdens een seminar in het Italiaanse laboratorium en online gepubliceerd op arXiv. Het gedetecteerde signaal steekt statistisch gezien met 5 sigma boven de achtergrondruis in de detector uit en kan daarom worden beschouwd als een echte ontdekking in de natuurkunde.
Nikhef is al vele jaren nauw betrokken bij XENON, zowel bij de bouw en het beheer van de detector als bij de analyse van de gegevens.
De detector – die bestaat uit een vat met tonnen vloeibaar zuiver xenon – is in de eerste plaats ontworpen om te zoeken naar deeltjes van donkere materie uit het heelal. Maar hij fungeert nu ook als observatorium voor de Zon. Andere observatoria over de hele wereld detecteren weliswaar ook neutrino’s van de Zon, maar alleen bij hogere energieën.
„Dit opent een nieuw venster op de Zon“, zegt Nikhef-postdoc Maxime Pierre, die momenteel fungeert als analysecoördinator van XENONnT. Neutrino’s zijn vrijwel massaloze en ongeladen elementaire deeltjes die vrijkomen tijdens kernprocessen. In de Zon is de fusie van waterstofkernen de belangrijkste bron.
Neutrino’s gaan vrijwel nooit een wisselwerking aan met andere materie en zijn daarom uiterst moeilijk te detecteren. Van de tientallen miljarden neutrino’s per seconde per vierkante centimeter die vanuit de Zon de aarde bereiken, gaan ze bijna allemaal zonder wisselwerking door. Slechts een minuscuul deel botst ooit met een atoom in het menselijk lichaam.
De signalen in XENON ontstaan wanneer een neutrino een elektron in een xenonatoom raakt, waardoor het elektron vrijkomt. Dit produceert een elektrisch signaal en een lichtsignaal die met elkaar gecorreleerd zijn. XENON verwachtte ongeveer 700 van dergelijke gebeurtenissen in de meetgegevens aan te treffen, maar detecteerde er minstens duizend, beginnend bij een energie van 17 keV.
De grootste uitdaging bij deze metingen is het detecteren van het signaal tegen de achtergrond van processen die ook signalen in de detector produceren. De detector bevindt zich in een tunnel onder een kilometer graniet om hem af te schermen tegen kosmische straling, maar de materialen en radioactieve onzuiverheden in het xenon – zoals radon en krypton – produceren onvermijdelijk nog steeds signalen.
De kunst is om technisch gezien zoveel mogelijk van die achtergrond te elimineren door middel van afscherming en zuivering, en de resterende achtergrond zo nauwkeurig mogelijk te begrijpen, zegt analyseleider Pierre. „Deze meting is niet alleen een prachtige waarneming, maar ook het bewijs dat we de detector zeer goed onder controle hebben.”
De metingen leveren in feite het bewijs van het principe dat XENON laag-energetische zonne-neutrino’s kan detecteren, zegt Pierre. „Astronomen zouden dit ‘first light’ noemen: de eerste keer dat we een beeld hebben. De echte waarnemingen van de zon staan nog maar in de kinderschoenen, als onderdeel van onze brede natuurkundige agenda.”
In de jaren dat er metingen zijn verricht, heeft XENON nog geen bewijs gevonden van deeltjes van donkere materie uit het heelal. Het experiment heeft echter wel tweemaal strengere grenzen gesteld aan de eigenschappen van eventuele deeltjes van donkere materie. Ongeveer driekwart van de massa in het heelal kan alleen via de zwaartekracht worden gedetecteerd, maar is verder onzichtbaar. Waaruit deze materie bestaat, blijft een mysterie.
