Je leest:

Een zwembad voor sterk licht

Een zwembad voor sterk licht

Auteur: | 1 september 2003

Hoe kom je een kwantumzwaartekrachttheorie op het spoor? Hang een zwembad vol met lichtgevoelige detectoren en wacht op een gammaflits. Een cursus scubaduiken is daarbij handig. Plus Spaanse les.

Gus Sinnis geeft het eerlijk toe: zijn Spaans is niet best. ‘Milagro’ betekent ‘wonder’, dus dat leek een paar jaar geleden een toepasselijke naam voor een van de wonderbaarlijkste observatoria ter wereld. Dat het ook nog een acroniem is van ‘Maryland-Irvine-Los Alamos Gamma-Ray Observatory’ was mooi meegenomen. ‘Maar toen we een voorstel indienden voor de bouw van een klein prototype, wilden we dat ’Milagrissimo’ noemen,’ lacht Sinnis. ‘Net op tijd kwamen we erachter dat ’klein wonder’ vertaald moet worden als ‘Milagrito’.’

Sinnis – kleurig overhemd, korte broek, witte sokken in sportschoenen, zonnebril – scheurt met hoge snelheid over de kronkelige bergweg ten westen van Los Alamos, New Mexico. Vanaf het Los Alamos National Laboratory, waar hij werkt, is het desondanks ruim een halfuur rijden naar Jet Milagro-observatorium, dwars door een dichtbegroeid vulkanisch landschap. ‘Die hoogte van 2600 meter is belangrijk,’ vertelt projectleider Sinnis. ‘Hoe lager je zit, hoe minder kans je hebt om de meest energierijke gammastraling te detecteren.’

Gammastraling

Milagro maakt jacht op gammafotonen met een energie van 400 tot 40.000 giga-elektronvolt – gemiddeld anderhalf biljoen keer zoveel als een foton van zichtbaar licht. Die extreem energetische straling wordt geproduceerd door explosieve verschijnselen in het heelal. Maar het gaat wel om een naald in een hooiberg: hoe energierijker de straling, hoe zeldzamer de fotonen. Slechts af en toe dringt zo’n superfoton de aardse dampkring binnen, en dan is het zaak alert te zijn.

Gelukkig laten de energierijke fotonen zich niet onbetuigd. Op grote hoogte in de dampkring botsen ze met een atoomkern, en de botsingsenergie wordt omgezet in een complete regenbui van ‘secundaire’ elementaire deeltjes, zoals negatief geladen elektronen en positieve positronen. Zo’n ‘air shower’ kun je op twee manieren op het spoor komen: door het registreren van het extreem zwakke, blauwachtige schijnsel dat de secundaire deeltjes in de dampkring produceren (alleen ‘s nachts te zien, en dan moet je ook nog precies in de goede richting kijken), of door de deeltjes ’op te vangen’ met een detector op de grond.

Zwembad

Vlak voorbij het gehucht La Cueva draait Sinnis zijn rode Mercedes de Hot Rock Road op – een zandweggetje waaraan het Milagro-observatorium ligt. Achter een hoog hek staan wat loodsen en barakken, voorzien van provisorische bordjes met teksten als ‘Counting House’ en ‘Pond Utility Building’. De grootste blikvanger is echter het overdekte ‘zwembad’: vijfduizend vierkante meter dekzeil, op zijn plaats gehouden met staalkabels. Aan de rand van het bassin staat een gammele stoel, alsof de Milagro-wetenschappers soms letterlijk een oogje in het zeil willen houden.

‘Het Los Alamos-lab deed hier experimenten met geothermische energie,’ vertelt Sinnis. ‘Door het waterbassin plotseling leeg te laten lopen, werd voldoende druk opgebouwd om water op grote diepte door spleten in het hete gesteente te persen.’ In 1994 namen de natuurkundigen het bassin over; een jaar later werd begonnen met de bouw van het drie miljoen dollar kostende Wonder. Dat bestaat in feite uit 730 lichtgevoelige fotomultiplicatorbuizen, gerangschikt in twee lagen in een platte bak met 27 miljoen liter ultrapuur water.

De secundaire deeltjes – stuk voor stuk nog steeds heel energierijk – veroorzaken minieme lichtflitsjes wanneer ze door het water bewegen. Door de metingen van de honderden detectoren te combineren, kan de herkomstrichting van de deeltjes worden vastgesteld. De twee lagen zijn nodig om onderscheid te maken tussen de talrijke ‘air showers’ als gevolg van gewone kosmische straling (snel bewegende waterstofkernen) en de veel zeldzamere deeltjesregens die veroorzaakt worden door hoogenergetische gammastraling.

Het dekzeil, dat normaalgesproken boven op het wateroppervlak ligt, houdt niet alleen vuil buiten, maar vooral licht. ‘Het moet echt aardedonker zijn daarbinnen,’ zegt Sinnis, terwijl hij over het golvende en deinende zeil loopt. Dat er ook regenwater op blijft staan, geeft niets. ‘s Winters ligt er zelfs ijs; mijn promovendi hebben er wel eens ijshockey op gespeeld.’

Eens per jaar verdwijnen Sinnis en zijn collega’s onder het zeil, om kapotte buizen en connectoren te vervangen. ‘Het Los Alamos-lab betaalde een scubaduikcursus in Key West in Florida,’ lacht hij. ‘We hebben nu zes duikers in ons team; elk jaar in september plegen we een week lang groot onderhoud.’

In een gebied van vijf hectare rondom het bassin, verspreid in het bos, zijn de afgelopen maanden vele tientallen kleinere watertanks geplaatst, ook allemaal voorzien van fotomultiplicatorbuizen, om de totale gevoeligheid van Milagro verder te vergroten. Deze zomer moet de uitbreiding, met in totaal 170 tanks, compleet zijn, en is Milagro eindelijk af. Maar al een paar jaar lang worden er vrijwel continu – en volautomatisch – metingen gedaan. Eén van de barakken staat propvol met computerapparatuur. Volgens Sinnis produceert Milagro per dag 120 gigabyte aan meetgegevens.

Gammaflits

Meer dan een handjevol kosmische bronnen van hoogenergetische gammastraling is er echter nog niet ontdekt. ‘We wachten met spanning op de eerste detectie van een gammaflits,’ vertelt Sinnis. Gammaflitsen zijn energierijke explosies op grote afstanden in het heelal, maar niemand weet of ze ook fotonen van duizenden giga-elektronvolts produceren. ‘Is dat wel het geval, dan kunnen de Milagro-waarnemingen een revolutie in de natuurkunde teweeg brengen.’

Sinnis hoopt uit de Milagro-metingen te kunnen afleiden dat de lichtsnelheid niet constant is, maar een klein beetje lager is voor fotonen met een hogere energie. Zo’n energie-afhankelijke lichtsnelheid wordt voorspeld door de meeste kwantumzwaartekrachttheorieën, die een brug moeten slaan tussen de kwantumfysica en de relativiteitstheorie. ‘Het effect is sterker voor hogere energieën,’ zegt Sinnis, ‘en gemakkelijker te meten bij straling die van zeer grote afstand komt.’ Gammaflitsen zijn wat dat betreft ideaal: de straling is miljarden jaren onderweg, en als er sprake is van een heel klein snelheidsverschil, komen de meest energierijke fotonen een fractie van een seconde later op aarde aan dan de fotonen met lagere energie.

‘Als we een stuk of twintig gammaflitsen waarnemen met Milagro en geen verschil in aankomsttijdstip detecteren, kunnen er flink wat theorieën de prullenbak in,’ aldus Sinnis. En dat allemaal met een relatief goedkoop, eenvoudig experiment in een zwembad. Of Milagro na komende zomer, wanneer de uitbreiding voltooid is, inderdaad in staat zal zijn de langverwachte signalen op te vangen, moet overigens nog blijken. Sinnis en zijn collega’s hebben al plannen klaar liggen voor een grote opvolger, op een paar kilometer hoogte in Chili of Hawaii. Maar hoe je ‘groot wonder’ in het Spaans vertaalt, weet hij zo gauw even niet.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 5 uit de jaargang 2003 van het blad Archimedes.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 september 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.