KM3NeT

Nikhef bouwt samen met internationale partners een grote neutrinodetector op de bodem van de Middellandse Zee. Deze detector heet KM3NeT, wat staat voor Cubic Kilometre (‘KM3’) Neutrino Telescope (‘NeT’). Zoals de naam suggereert is KM3NeT een gigantische detector van één kilometer breed, bij één kilometer lang, bij één kilometer hoog. We noemen deze detector soms een telescoop omdat we (onder andere) speuren naar neutrino’s uit het verre heelal.

We bouwen de detector op de bodem van de Middellandse Zee op een diepte van 2,5 tot 3,5 kilometer. Daarvoor zijn verschillende redenen. De eerste reden is simpel: we willen een detector van een kubieke kilometer bouwen en op die diepte is daar de ruimte voor. De detector moet zo groot zijn om te zorgen dat we genoeg neutrino’s detecteren, ondanks de kleine kans op een neutrino-interactie.

Een tweede reden is dat de watermassa boven de detector andere deeltjes absorbeert die lijken op neutrino’s. Dus hoe dieper je bouwt, hoe minder van dat soort achtergronddeeltjes er zijn, wat onze data-analyse uiteindelijk makkelijker maakt.

Een laatste reden om zo diep te bouwen is dat het erg donker moet zijn, omdat het zeewater ons detectiemedium is. Neutrino’s detecteren we namelijk niet direct, maar indirect. Neutrino’s hebben slechts heel zelden een interactie met andere materie. Als dat toch gebeurt kunnen we de resulterende deeltjes proberen te detecteren. De deeltjes die ontstaan bij een neutrino-interactie zijn elektrisch geladen en bewegen sneller door het water dan de snelheid van licht in water (de snelheid van licht in water is lager dan de snelheid van licht in het vacuüm!). Daardoor beginnen deze deeltjes licht uit te zenden dat we Cherenkovstraling noemen. Dat is het licht dat wordt gedetecteerd in KM3NeT en daaruit halen we informatie over het neutrino dat het licht veroorzaakte.

De eigenlijke KM3NeT-detector bestaat uit twee delen, die op verschillende locaties staan. Eén detector heet KM3NeT/ARCA en wordt gebouwd op ongeveer 80 kilometer van de kust van Sicilië, Italië. Dit deel van de detector wordt gebruikt om naar neutrino’s uit het verre heelal te speuren.

De tweede detector is KM3NeT/ORCA en staat op ongeveer 40 km van de kust van Toulon, Frankrijk. Dit detectordeel wordt een stuk compacter dan 1 kubieke kilometer en wordt gebruikt om de eigenschappen van neutrino’s beter te bestuderen.

De bouwsteen van de KM3NeT-detector is een Digital Optical Module (DOM). Eén DOM is een glazen bol van 42 centimeter doorsnede die is gevuld met 31 photomultiplier tubes (PMT’s, fotobuizen in het Nederlands). PMT’s zijn een soort omgekeerde gloeilampen: als er licht opvalt geven ze een elektrische stroom. Dat signaal kunnen we dan uitlezen met de elektronica in de DOM.

De KM3NeT-detectoren bestaan uit verticale lijnen (Detection Units, DU’s) van 200 meter (KM3NeT/ORCA) en 700 meter (KM3NeT/ARCA) die zijn bevestigd aan ankers op de zeebodem. Aan elke lijn worden 18 DOM’s bevestigd.

In KM3NeT/ARCA komen uiteindelijk 230 lijnen, die op een onderlinge afstand van ongeveer 100 meter staan. In KM3NeT/ORCA gaat het om 115 lijnen op een onderlinge afstand van ongeveer 20 meter.

Een KM3NeT DOM

Twee KM3NeT DU’s van elk 18 DOM’s in productie op Nikhef

Met KM3NeT hopen onderzoekers antwoord te krijgen op meerdere open vragen over neutrino’s. Deze vallen grofweg uit elkaar in astrofysische vragen en vragen die meer gaan over deeltjesfysica. Een selectie:

Astrofysica:

• Waar komen hoog-energetische neutrino’s uit het verre heelal vandaan?
• Staan daar bronnen die we al kennen van astronomen, die naar de hemel kijken met conventionele telescopen?
• Zien we daar misschien ook zwaartekrachtsgolven vandaan komen?
• Begrijpen we wat zich bij die ver weg gelegen astrofysische bronnen afspeelt?

KM3NeT/ARCA is ontworpen om deze vragen te beantwoorden.

Deeltjesfysica:

• Gegeven dat er drie soorten neutrino’s zijn, hoe zijn de massa’s van deze neutrino’s geordend? Welk neutrino is het zwaarst en welke het lichtst?

KM3NeT/ORCA heeft een uitstekende kans om als eerste experiment op aarde deze vraag met zekerheid te beantwoorden.

De KM3NeT-DOM, de bouwsteen van de KM3NeT-detector is grotendeels ontworpen door en op Nikhef, van concept tot aan uitvoering. Nikhef is nog steeds één van de grootste DOM-productiesites van Europa.

Ook worden op Nikhef KM3NeT-DU’s gemaakt. Voor foto’s van de KM3NeT-productiesite voor DOM’s en DU’s, zie hier. Voor video’s over de DOM-productie, zie hier.

Nikhef heeft tevens de kabel ontworpen en ontwikkeld die in de diepzee langs de DOM’s loopt om stroom te leveren en data uit te wisselen via optische fibers. Deze kabel (één voor elke DU) wordt gebouwd door een gespecialiseerd Nederlands bedrijf.

Het installeren van de detector, met name het concept van het ontrollen van de DU’s is ontwikkeld door Nikhef in samenwerking met NIOZ (Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee).

Nikhef draagt verder veel bij aan de KM3NeT-electronica, mechanica, het optische netwerk, de software en de analyse van de KM3NeT-data.

De volledige software om in real-time interessante events te selecteren en om uit de gedetecteerde signalen de richtingen en energieën van de gedetecteerde deeltjes te reconstrueren, is op Nikhef ontwikkeld. Ook de in-situ kalibratieprocedures zijn op Nikhef ontwikkeld, waaronder het volgen via akoestische signalen van de DOM-posities tot op een meter nauwkeurig, het bepalen van hun oriëntatie via magnetometers en het zorgen voor synchronisatie met een nauwkeurigheid van nanoseconden. Nikhef heeft ook een grote bijdrage geleverd aan de analysesoftware.

Ten slotte hebben veel Nikhef’ers een belangrijke rol in de organisatie van KM3NeT.

Testen van het concept voor het ontrollen van een KM3NeT DU

Voor meer informatie over de recente KM3NeT-ontdekking van een ultrahoog-energetisch kosmisch neutrino, zie hier: https://www.nikhef.nl/recordneutrino