Speciale telescoop meet neutrino met hoogste energie ooit
Zelfs met de allermodernste technieken is het bijna niet te zien: een kosmische neutrino. Toch is het wetenschappers gelukt dit deeltje in beeld te brengen met een telescoop op 3450 meter diepte in zee. En dat kan helpen om ons universum beter te begrijpen. Leidse deeltjesfysici werkten mee aan dit ambitieuze project, woensdag gepubliceerd in Nature.
Neutrino’s zijn de minst begrepen deeltjes van het standaardmodel. Ze zijn bijna massaloos, hebben nauwelijks interactie met andere materie en ze wisselen voortdurend van identiteit. ‘Als we ze beter begrijpen, kunnen ze mogelijk ook helpen verklaringen voor de tot nu onbekende zogenoemde 'donkere materie' te vinden’, legt Dorothea Samtleben uit, universitair hoofddocent aan de Universiteit Leiden én programmaleider van de neutrino onderzoeksgroep bij Nikhef. ‘Ik vind het geweldig om iets te bestuderen dat je nauwelijks kunt zien!’
Hoe de neutrino dwars door de telescoop vloog
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website of‘We dromen er al heel lang van om astronomie met deze energierijke neutrino’s te kunnen doen’, vertelt hoogleraar Maarten de Jong. ‘Maar neutrino’s zijn erg lastig te detecteren, ze vliegen overal doorheen. Maar heel af en toe botst er één op een atoom en dan ontstaat een lichtflits. Om deze te zien moet je enorme telescopen bouwen op bijzondere locaties. Onze telescoop ‘KM3NeT’ detecteert botsingen van neutrino’s met atomen in water en ligt op een diepte van 2.400 tot 3.500 meter, op de zeebodem van de Middellandse Zee.’
Op fotonen na, zijn neutrino’s de meest voorkomende deeltjes in het heelal. Ze hebben geen elektrische lading en hebben bijna geen massa. Waarschijnlijk ontstaan ze tijdens de meest extreme kosmische processen, bijvoorbeeld wanneer zwarte gaten alle omliggende materie opslokken. Bij de botsingen die dan ontstaan worden deze deeltjes met bijna lichtsnelheid weggeslingerd, de ruimte in.
De KM3NeT-samenwerking (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) brengt meer dan 360 wetenschappers, ingenieurs, technici en studenten van 68 instellingen uit 21 landen over de hele wereld samen, waaronder uit Nederland: Nikhef, Universiteit Leiden, NWO-I, Universiteit van Amsterdam, NIOZ en TNO.
De hoofdprijs
‘Met deze neutrino-observatie hebben we de hoofdprijs al gewonnen’, straalt Samtleben. Deze meting levert het eerste bewijs ter wereld dat neutrino’s met zulke hoge energieën geproduceerd worden in het heelal. Na een lange periode van analyse en interpretatie van de data, verschijnen de resultaten vandaag in Nature.
Op 13 februari 2023 detecteerde de telescoop een buitengewoon signaal dat overeenkomt met een neutrino met een energie van zo’n 220 miljoen miljard elektronvolt.
Samtleben: ‘De kans dat we zo’n prachtig neutrino in de komende decennia nog een keer zien, is echt heel klein. Maar we zullen met onze groeiende detector steeds meer neutrino's van lagere energieën verzamelen, waarmee we meer over de eigenschappen van neutrino's te weten komen. Ook nieuwe inzichten over kosmische bronnen kunnen we verwachten.’
De Amerikaanse concurrent van KM3NeT is al vijftien jaar aan het meten met een veel grotere telescoop. Zij hebben een kosmische neutrino met deze enorme hoeveelheid energie nog nooit gemeten. De Jong vertelt: ‘Ja, ik zit er af en toe weer naar te kijken en het blijft mij verbazen! Het was recht in de roos. Meestal zie je een soort schampschot. Dit was een meting recht door onze detector.’
Telescoop-ontwerp met een Leids tintje
De onderwater neutrino-telescoop aan de Franse en Italiaanse kust bestaat uit een netwerk van detectoren – ook wel Digital Optical Modules (DOM’s) genoemd. Deze duizenden camera’s registreren lichtflitsen die ontstaan wanneer kosmische neutrino's interactie aangaan met watermoleculen. Diep in de zee heb je geen last van storende invloeden van andere deeltjes die metingen beïnvloeden.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofDe Jong: ‘De telescoop bestaat over een aantal jaar uit 230 kabels met DOM’s in Italië en 115 kabels met DOM’s in Frankrijk, allemaal geankerd in de zeebodem. Op dit moment is 13% van dit systeem in bedrijf. Het is een ontwerp waar Leidse optica-experts veel aan bijgedragen hebben. Op een workshop met het bedrijfsleven over fotosensoren kwamen we opeens op het idee om veel kleine camera’s te gebruiken en die aan elkaar te koppelen. Dit idee ligt aan de basis van het uiteindelijke ontwerp van de telescoop en is op andere plekken in de wereld overgenomen.’
Een nieuwe blik op ons universum
Op basis van één meting van kosmische neutrino is het onmogelijk om harde conclusies te trekken over de precieze oorsprong ervan. Maar met de voortdurende uitbreiding van de KM3NeT zal de gevoeligheid van de telescoop steeds verder verbeteren, waarmee het vermogen om kosmische neutrinobronnen te lokaliseren ook steeds groter wordt.
Deze eerste detectie ooit van een neutrino van honderden PeV’s opent een nieuw hoofdstuk in de neutrino-astronomie én biedt een nieuwe kijk op ons heelal. Ook kunnen wetenschappers de nieuwe inzichten gaan vergelijken met kennis uit onderzoek naar andere kosmische signalen, waaronder elektromagnetische golven en zwaartekrachtgolven.
Al dit onderzoek brengt ons uiteindelijk dichterbij meer kennis bijvoorbeeld over het ontstaan van superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, over supernova-explosies en gammastraaluitbarstingen. Zo leren we het universum en het ontstaan ervan steeds beter begrijpen.
Lees de publicatie in Nature.
Lees het persbericht van Nikhef.