Diep onder de kalme wateren van de Middellandse Zee hebben wetenschappers een buitengewoon krachtig deeltje ontdekt.
Met de KM3NeT-detector, een geavanceerd onderwater-observatorium dat bestaat uit een netwerk van uiterst gevoelige lichtsensoren op ongeveer 3,5 kilometer diepte voor de kust van Sicilië, werd een kosmische neutrino gedetecteerd met een energie van maar liefst 220 PeV (petaelektronvolt). Dit betekent dat dit ene deeltje ongeveer 110 miljoen miljard (een biljard) keer de energie bevat van een foton zichtbaar licht en maar liefst 30.000 maal zoveel energie als de deeltjes die in de LHC (de krachtigste deeltjesversneller ter wereld) worden versneld. Of zoals Paul de Jong, onderzoeker bij Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica, en mede-auteur van de studie, het in een interview met Scientias.nl samenvat: “Op macroscopisch niveau is het vergelijkbaar met de energie van een pingpongbal, maar een pingpongbal bestaat uit meer dan een miljard miljard elementaire deeltjes, en in deze gebeurtenis is dit samengebald in één deeltje.”
Wat is een neutrino?
Neutrino’s zijn bijna spookachtige deeltjes: ze hebben zo’n zwakke interactie met materie dat ze moeiteloos door planeten, sterren en interstellaire stof heen vliegen. Neutrino’s ontstaan bij de meest extreme gebeurtenissen in het heelal, zoals in de buurt van superzware zwarte gaten of tijdens kosmische explosies. Omdat ze nauwelijks tegen iets botsen en ook niet worden afgebogen door magnetische velden, brengen ze onvervalste informatie mee over de meest afgelegen en energierijke gebieden van het universum.
Maar deze eigenschappen maken het ook bijzonder lastig om ze waar te nemen. Om die reden wordt de KM3NeT-detector momenteel gebouwd. Deze bestaat uit talloze lichtsensoren die op de zeebodem zijn verankerd. Wanneer een neutrino een interactie heeft met een watermolecuul, wat uitzonderlijk zeldzaam gebeurt, ontstaat er een deeltje, een zogeheten muon, legt de Jong uit. Dit muon produceert een zwak lichtsignaal via een proces dat Tsjerenkovstraling heet. Je kunt je dit voorstellen als de lichtflits die ontstaat als een object sneller door water beweegt dan het licht in dat water kan reizen. Door de exacte tijd en locatie waarop deze lichtflitsen worden geregistreerd, kunnen wetenschappers met hoge precisie de koers van het deeltje reconstrueren.
Het bijzondere aan deze ontdekking
De ontdekking is bijzonder, niet alleen vanwege de extreme energie, maar ook door de richting waaruit het neutrino kwam. Het deeltje bewoog vrijwel horizontaal door de detector, wat erop wijst dat het afkomstig is van een extreem ver object in het heelal. Mogelijke bronnen zijn superzware zwarte gaten in het centrum van melkwegstelsels, die materie aantrekken en soms met enorme kracht uitstoten. Blazars, actieve galactische kernen, waarvan de uitstoot toevallig precies in onze richting wijst, behoren eveneens tot de kandidaten. Ook supernova’s en andere explosieve kosmische gebeurtenissen kunnen dergelijke deeltjes produceren.
Volgens Paul de Jong is het doel om met meer waarnemingen precies uit te zoeken welke objecten in het heelal deze zogenoemde kosmische versnellers zijn. “Wij hebben als doel veel neutrino’s te verzamelen, en uit te zoeken welke objecten in het heelal hun bronnen zijn; dan leren we meer over kosmische versnellers, waarschijnlijk de meeste extreme objecten in het heelal”, legt hij uit.
Technische uitdagingen en toekomstperspectief
Wetenschappers hebben veel hoop dat de herkomst van dergelijke neutrino’s kan achterhaald worden. De KM3NeT-detector is namelijk nog in aanbouw en zal uiteindelijk een volume beslaan van meer dan een kubieke kilometer. Om het superzware deeltje te vinden, werd slechts een tiende van de detector gebruikt. Dat betekent dat met een uitgebreid netwerk van sensoren nog veel meer van dit soort energierijke neutrino’s ontdekt kunnen worden. Tegelijkertijd stelt de modulariteit van het project wetenschappers in staat om al data te verzamelen en te analyseren tijdens de verdere uitbouw.
De verwachting is dat er in de toekomst nog veel ontdekkingen zullen volgen. “We zijn ook tevreden met neutrino’s met een lagere energie”, zegt De Jong. “We hopen vooral bronnen te detecteren: plekken aan de hemel, liefst een object dat je ook met een telescoop kunt zien (of dat nu in zichtbaar licht, radio, röntgenstraling of gammastraling is) waar veel neutrino’s vandaan komen.”
Door het energiespectrum, de locatie en de tijdsafhankelijkheid van het signaal te analyseren en deze te correleren met waarnemingen van telescopen of met metingen van zwaartekrachtsgolfdetectoren, hopen wetenschappers meer te leren over kosmische versnellers. “Daarnaast gebruiken we de detector om de eigenschappen van neutrino’s zelf beter te begrijpen”, legt De Jong uit. “Neutrino’s zijn nog niet volledig begrepen binnen de deeltjesfysica en bieden mogelijkheden om de gangbare theorie te verbeteren. We zoeken ook naar neutrino’s die mogelijk bewijs kunnen leveren voor het bestaan van donkere materie.” Veel om naar uit te kijken dus, of zoals de wetenschapper het zelf kort samenvat: “We kijken uit naar de toekomst!”
