Je leest:

Eerste neutrino’s uit ‘diepe kosmos’ gemeten

Eerste neutrino’s uit ‘diepe kosmos’ gemeten

Auteur: | 4 december 2013

Voor het eerst denken wetenschappers dat ze neutrino’s hebben gezien die afkomstig zijn van buiten ons zonnestelsel. Tussen mei 2010 en mei 2012 detecteerde het IceCube Neutrino-observatorium 28 neutrino’s met zo’n hoge energieën dat het onwaarschijnlijk is dat ze van de zon of uit onze atmosfeer afkomstig zijn.

Neutrino detectie
Een artistieke weergave van een neutrino-detectiespoor in de IceCube-detector.
IceCube/NSF

De wetenschappers achter het reusachtige IceCube Neutrino-observatorium op Antarctica maakten afgelopen februari al bekend dat ze twee neutrino’s (liefkozend Bert en Ernie genaamd) op het spoor waren met wel heel erg hoge energieën.

Nu weten ze het zeker: de afgelopen jaren raakten 28 van deze extreem moeilijk te vatten deeltjes het ijs van het continent met zoveel energie dat de wetenschappers denken dat ze alleen afkomstig kunnen zijn uit gewelddadige gebeurtenissen in de buurt van zwarte gaten, pulsars of supernova’s. De onderzoekers publiceerden hun resultaten eind vorige maand in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Het detecteren van neutrino’s heeft nogal wat voeten in de aarde. De deeltjes hebben nauwelijks massa, geen lading en bewegen met bijna de lichtsnelheid door het universum. Daarbij reageren ze vrijwel nooit met de overige materie die ze tegen komen en dat maakt ze erg lastig te ‘vangen’. Slechts gigantische observatoria bestaande uit duizenden detectors kunnen af en toe een spoor van geladen deeltjes waarnemen dat ontstaat wanneer een neutrino de kern van een atoom precies goed raakt. Die geladen deeltjes, onder andere elektronen en muonen, worden zichtbaar door een lichtgloed die ze afgeven als gevolg van hun hoge snelheid. En precies dat is wat IceCube kan waarnemen in het ijs van Antarctica.

Icecube2
NSF/S. Lindstrom

De kilometersdikke, min of meer doorzichtige ijslaag op Antarctica vormt de perfecte plek voor een neutrino-detector. IceCube bestaat uit 86 ‘lijnen’ die verticaal door het ijs lopen en waaraan per lijn 60 lichtdetectoren hangen. De in totaal 5160 detectoren vormen op een diepte van tussen de 1,5 en 2,5 kilometer een detector van ongeveer een vierkante kilometer. In 2005 werd er begonnen met de bouw. In 2010 werd hij opgeleverd.

Eerdere metingen

Hoewel er in 1987 al een aantal neutrino’s werden gemeten die hoogstwaarschijnlijk afkomstig waren van een supernova-explosie in de Grote Magelhaense Wolk, spreken de betrokken wetenschappers toch van een unieke ontdekking. ‘De neutrino’s die toen werden waargenomen hadden een energie van slechts een miljoenste van wat we nu hebben waargenomen’, laten ze in een persbericht weten.

Momenteel werken de wetenschappers aan het verbeteren van de precisie van de metingen. Ook proberen ze te achterhalen wat de bronnen van de neutrino’s zouden kunnen zijn. De neutrino’s stellen onderzoekers theoretisch in staat objecten in het universum te onderzoeken die anders niet zichtbaar zijn, gezien het feit dat neutrino’s geen last hebben van stofwolken en zelfs dwars door planeten en sterren heen bewegen.

In 2011 waren neutrino’s plotseling wereldnieuws. Onderzoekers van het Europese deeltjeslaboratorium CERN in Genève en het Gran Sasso laboratorium in Italië ontdekten dat neutrino’s die tussen de twee locaties heen en weer werden gezonden 60 nanoseconden te snel aankwamen. Ze zouden daarmee sneller dan het licht gaan en de beroemde snelheidslimiet van Albert Einstein overtreden. Maandenlang werd er tevergeefs gezocht naar een oorzaak. Uiteindelijk bleek een defecte kabel de oorzaak te zijn en de relativiteitstheorie hoefde niet op de schop.

Bron

  • Aartsen M.G. et al., Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector, Science (22 november 2013), DOI:10.1126/science.1242856
1/9

Extreme plekken voor natuurkunde

De natuur geeft zijn geheimen niet altijd gemakkelijk prijs. Wetenschappers bouwen de grootste detectoren om de allerkleinste deeltjes te onderzoeken. Bovendien ontkomt men daarbij vaak niet aan een verhuizing naar een bijzondere locatie. Kennislink maakt een ronde langs acht uitzonderlijke detectoren…

1/9

Rillende wetenschap

Het is misschien niet de meest comfortabele locatie voor wetenschappers, maar de kilometersdikke ijslaag op Antarctica vormt de perfecte plek voor deze neutrino-detector. IceCube bestaat uit 86 ‘lijnen’ die verticaal door het ijs lopen en waaraan per lijn 60 lichtdetectoren hangen. Zo wordt op een diepte van tussen de 1,5 en 2,5 kilometer een detector gevormd van ongeveer een vierkante kilometer. Het doel: neutrino’s detecteren die door hun botsingen met het ijs een lichtgloed afgeven.

1/9

Turen vanuit de ruimte

Sinds 2011 trekt de AMS-detector (hier net boven het midden van de foto) samen met het internationale ruimtestation ISS baantjes rond de aarde. Elke anderhalf uur de wereld rond op een hoogte van pakweg 400 kilometer. AMS is niet gericht op het prachtige uitzicht op de aarde maar speurt juist naar zaken uit de diepe kosmos. Dit jaar werd bekend dat de detector de grootste verzameling antimaterie, zoals positronen, ooit heeft waargenomen. Dat geeft wetenschappers weer aanwijzingen voor het vinden van donkere materie.

1/9

Carrièreswitch

Vroeger werd er gezocht naar ijzererts maar tegenwoordig doet de Soudanmijn in Minnesota dienst als vindplaats voor onbekende elementaire deeltjes. Detectoren van het SuperCDMS-experiment liggen hier een kleine kilometer onder de grond en speuren naar zogenoemde WIMP’s. Deze Weakly Interacting Massive Particles zijn kandidaten voor donkere materie. De detectoren bestaan uit extreem gekoeld halfgeleidend materiaal waarin na een vermeende reactie met een WIMP trillingen meetbaar zijn. Omdat de gebeurtenissen extreem zeldzaam zijn worden de experimenten diep onder de grond weggestopt om geen verstoringen te hebben van bijvoorbeeld kosmische straling.

Jon ‘ShakataGaNai’ Davis via CC BY 3.0
1/9

Ondergronds boottochtje

Het is een bijzondere plek voor een boottochtje, hier op zo’n 1000 meter onder de grond. Deze twee heren in hun opblaasbootje nemen er in ieder geval hun tijd voor. Ze roeien langzaam langs de lichtgevoelige detectoren van de Super-Kamiokande-deeltjesdetector die in een voormalige Japanse zoutmijn is gevestigd. Deze met 50 miljoen liter extreem zuiver water gevulde cilinder is bedoeld voor de detectie van neutrino’s, die notoir moeilijk waar te nemen zijn. Ontelbare hoeveelheden van de deeltjes worden door onder andere de zon uitgezonden, maar slechts een handjevol wordt door botsingen met het water in detectoren als Kamiokande gespot.

1/9

Golven in Toscane

OK, niet zozeer de locatie is spectaculair maar de natuurkunde des te meer. Apparaten zoals deze Virgo-detector in Toscane speuren naar zwaartekrachtsgolven die nog nooit zijn waargenomen maar wél worden voorspeld door de relativiteitstheorie van Albert Einstein. Ze ontstaan als twee zware objecten – zoals zwarte gaten of neutronensterren – om elkaar heen draaien en zo golven in de ruimtetijd veroorzaken. Virgo bestaat uit twee ‘armen’ van elk drie kilometer, waardoor laserstalen worden geschoten. Die bundels doven elkaar in het midden van de detector precies uit door interferentie. Een passerende zwaartekrachtsgolf zou een van de armen echter tijdelijk korter maken waardoor de uitdoving niet meer werkt.

1/9

Sterren spotten op de hoogvlakte

De hoogvlaktes van de Andes vormen het paradijs voor menig astronoom. Niet bepaald om er te zijn, want de kou en vooral het gebrek aan zuurstof vormen geen mensvriendelijke omgeving. Maar daar, op 5000 meter hoogte, opende radiotelescoop ALMA ongeveer twee jaar geleden zijn ogen. De droge en ijle lucht ter plekke levert de ideale omstandigheden voor het detecteren van elektromagnetische straling met een golflengte van een millimeter en kleiner. De 66 schotelantennes leveren astronomen haarscherpe beelden van zwarte gaten, stergeboortes en planetenstelsels.

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / L. Calçada (ESO) via CC BY 4.0
1/9

Kosmisch geweld op de pampa

De dunbevolkte pampa’s van Zuid-Amerika bieden niet alleen plek aan grote grazers maar is ook thuis van het Pierre Auger-observatorium. De pakweg 1600 detectoren van het observatorium scannen de hemel op zogenoemde deeltjeslawines veroorzaakt door kosmische straling. Die zijn detecteerbaar met antennes die elektromagnetische straling oppikken. Die speurtocht is een kwestie van wachten. Lang wachten. Sommige van deze soort gebeurtenissen komen ruwweg één keer per jaar voor. Het is daarom cruciaal dat alle detectoren naar behoren werken op het moment dat er zo’n kosmische aanslag plaatsvindt.

1/9

Botsen met de lichtsnelheid

De grootste en bekendste deeltjesversneller ter wereld is te vinden ónder de witte toppen van de Alpen. De Large Hadron Collider (LHC) bestaat uit een 27 kilometer lange tunnel die onder Frankrijk en Zwitserland cirkelt. Daar doorheen worden onder andere protonen met bijna de lichtsnelheid versneld en op elkaar gebeukt, waarbij de deeltjes in veel kleinere deeltjes, zoals quarks, uit elkaar vallen. Eind 2008 liep de machine flinke schade op door een lekke heliumtank, daardoor liep het project ongeveer een jaar vertraging op. In juli 2012 werd dan toch de belangrijkste ontdekking van de LHC bekend gemaakt: het bestaan van het Higgsboson.

UCI UC Irvine via CC BY-NC-ND 2.0
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 december 2013

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.