IJsmaan voor deeltjesonderzoek

Als het aan Peter Gorham van de Universiteit van Hawaii ligt, zweeft er ooit een vloot van telescopen rond de Jupiter-maan Europa. Die maan wordt bedekt door een ijslaag van vele kilometers dik, de grootste ijsmassa in ons zonnestelsel. Dat ijs is volgens Gorham de ideale detector voor super-energetische neutrino’s. Op 30 november presenteert hij zijn ideeën op een NASA workshop over de toekomstplannen van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie.

Neutrino’s schieten met de lichtsnelheid door het heelal en botsen maar zelden met andere materie. Ze heten niet voor niets spookdeeltjes: een neutrino maakt een goede kans om door een lichtjaar aan lood heen te dringen. Neutrino’s ontstaan in het hart van sterren en supernovae, waarna ze door de dikke gaslagen de ruimte inschieten. Omdat neutrino’s zo ver kunnen reizen zonder te worden tegengehouden door andere materie, zijn ze een bron van informatie over het verre heelal.

Licht maar beperkt houdbaar

Met een neutrino-telescoop hoopt Gorham een nieuw venster te openen waarmee sterrenkundigen het verre heelal kunnen onderzoeken. Hij is speciaal geïnteresseerd in super-energieke verschijnselen met energieën boven de 10²¹ eV. De eV – elektronvolt – is een energiemaat in de hoge energie-fysica. Ter vergelijking: één foton zichtbaar licht heeft een energie van 1 tot 3 eV en gammastraling is alles boven de miljoen eV. Moderne deeltjesversnellers laten deeltjes botsen met zo’n biljoen (10¹²) eV.

Fotonen met een fantastische energie van 10²¹ eV zijn niet lang houdbaar: in de ruimte botsen ze namelijk op de kosmische achtergrondstraling, de nagloeiende fotonen van heet plasma uit het vroege heelal. Bij zo’n botsing ontstaan elektronen en positronen uit de gammastraling. Gammafotonen met een energie van 10²¹ eV of meer redden het volgens Gorham door dit mechanisme nét hun eigen melkweg uit, verder komen ze niet. Daarom zijn ze onbruikbaar om verder het heelal in te kijken. Neutrino’s met dezelfde energie zouden helemaal geen last hebben van de achtergrondstraling en moeiteloos immense afstanden afleggen. Met een telescoop voor dit soort energieen zouden sterrenkundigen de oorsprong van de mysterieuze kosmische straling op kunnen sporen, maar ook ver terugkijken naar het begin van het heelal.

In de dikke ijslaag van Europa zouden neutrino’s volgens Gorham kleine flitsjes radiostraling afgeven, een elektromagnetische tegenhanger van de supersonische schokgolf. Net als een straaljager sneller kan reizen dan het geluid, kunnen snelle deeltjes het licht inhalen – in een andere omgeving dan vacuüm natuurlijk. Volgens Einstein’s Relativiteitstheorie kan niets sneller bewegen dan het licht in de open ruimte: 299.792.458 m/s. In materialen als glas, water, of ijs plant licht zich een stuk langzamer voort. Een deeltje dat in zo’n materiaal sneller dan de lokale lichtsnelheid reist, geeft een schokgolf van straling af, naar de bedenker ervan Cherenkov-straling genoemd. Met gevoelige satellieten in een omloopbaan is die straling op te vangen. Samenwerking tussen naburige satellieten levert extra informatie op over het gevangen neutrino, dus wil Gorham een hele vloot rond Europa plaatsen.

Gorham’s geplande Europa-detector is zeker niet de eerste neutrino-telescoop. Natuurkundigen weten al jaren hoe je neutronen kunt vangen: met grote bakken water. Er is een kleine kans dat een neutrino met een proton in het watermolecuul reageert en een neutron vormt; ook daarbij komt een lichtflits vrij. De Japanse SuperKamiokande en in het Canadese Sudbury Neutrino Observatory werd een paar jaar terug bijvoorbeeld al aangetoond dat de drie soorten neutrino’s (net als andere elementaire deeltjes komen ze in drie gewichtsklasses voor) in elkaar kunnen veranderen.

Op Antarctica heeft Gorham al meegeholpen aan een kleine versie zijn Europa-systeem: de Antarctic Muon and Neutrino Detector Array (AMANDA) kan neutrino’s met een energie tot 10¹⁵ eV waarnemen. De geplande detectoren IceCube en ANITA komen tot 10¹⁸ eV, maar dat is zo’n beetje de limiet op aarde. Omdat er zo in verhouding veel minder hoog- dan laag-energetische neutrino’s zijn, er er een steeds grotere detector nodig om die kleinere stroom te ‘vangen’. Hoe groter het doelwit, hoe meer kans dat één deeltje in de detector een superenergiek neutrino vangt. En groter dan een complete maan, dat wordt toch flink zoeken.

bron: Peter W. Gorham, Planet-sized detectors for ultra-high energy Neutrinos & cosmic rays; Arxiv.org