In het dagelijks leven merk je het niet, maar op dit moment gaan er per seconde miljarden deeltjes dwars door je heen. Deze deeltjes heten neutrino's en worden ook wel de spookdeeltjes van de natuurkunde genoemd. Neutrino’s zijn ongeladen en hebben een minuscule massa. Hierdoor voelen ze nauwelijks zwaartekracht. Bovendien gaan ze alleen interacties aan via de zwakke kernkracht. Daarom gaan ze vrijwel nooit interacties aan met andere deeltjes. Dit zorgt ervoor dat ze dwars door jou, de aarde en het universum heen kunnen gaan.
De meerderheid van de neutrino’s hier op aarde is afkomstig uit een bron die we allemaal kennen: de zon. De kernfusiereacties die ons licht en warmte geven, produceren ook gigantische hoeveelheden neutrino’s. Maar er zijn ook neutrino’s die niet van de zon komen. Juist deze neutrino’s zijn interessant omdat deze deeltjes ons nieuwe dingen leren over het heelal en dit mysterieuze deeltje zelf.
Sterrenkijken met neutrino’s
Neutrino’s bieden ons een andere manier om naar het heelal te kijken dan in de traditionele sterrenkunde. Hierbij bestuderen sterrenkundigen het universum door het detecteren van licht met verschillende golflengtes. Dit kan een probleem zijn als een bron heel ver weg staat of wanneer er een ander object voor staat. Het licht weerkaatst dan of wordt geabsorbeerd waardoor wij het hier op aarde niet kunnen detecteren.
Er zijn ook andere deeltjes waarmee we hier op aarde bestookt worden vanuit het heelal. Deze deeltjes zijn meestal geladen, waardoor ze niet in een rechte lijn door ons universum reizen. De aanwezige magneetvelden veranderen de baan die de geladen deeltjes (bijvoorbeeld protonen) afleggen door middel van de Lorentzkracht. Dit maakt het onmogelijk om een kosmisch geladen deeltje dat je hier op aarde meet, terug te koppelen naar zijn bron.
En daar komen de neutrino’s om de hoek kijken. Neutrino’s hebben geen last van deze problemen. Ze zijn ongeladen, gaan nauwelijks interacties aan met andere materie en gaan vrijwel overal dwars doorheen. Daardoor reizen ze dus in een rechte lijn door ons universum. Deze deeltjes kunnen ons daarom niet alleen dingen leren over de meest afgelegen sterrenstelsels, maar ook over gebieden met een grote dichtheid van materie waar licht wordt geabsorbeerd.
Wat willen we nu te weten komen met behulp van deze neutrino’s? Onderzoekers zouden graag willen weten waar de neutrino’s en andere geladen deeltjes eigenlijk vandaan komen en hoe ze zijn ontstaan. De KM3NeT-detector wil dit ontdekken en de astronomie helpen door het aanwijzen van bronnen van kosmische deeltjes.
De KM3NeT-detector
Maar hoe detecteer je een deeltje dat berucht is vanwege het niet aangaan van interacties? Je moet hiervoor een zo groot mogelijke detector maken, omdat de kans dan het grootst is dat er in het meetgebied een neutrino interactie plaatsvindt. Het KM3NeT (Cubic kilometre Neutrino Telescope) experiment gaat deze uitdaging aan op de bodem van de Middellandse Zee. Er zijn daar al eerder experimenten uitgevoerd met de Antares-detector. Nu worden er nieuwe, gevoeliger detectoren gebouwd: de KM3NeT-detectoren. De KM3NeT/ARCA-detector ligt in het Italiaanse deel van de Middellandse Zee, de KM3NeT/ORCA in het Franse deel zo’n 40 kilometer uit de kust bij de Franse stad Toulon.
Dat de bodem van de zee is gekozen voor de KM3NeT-detector heeft twee redenen. Allereerst is er op meerdere kilometers diepte alle ruimte voor de detector. Bovendien is er in zee veel minder achtergrondstraling, wat ervoor zorgt dat het signaal afkomstig van het neutrino niet verloren gaat. De belangrijkste bron van achtergrondstraling is afkomstig van deeltjes die worden geproduceerd door botsingen van kosmische straling met deeltjes in onze atmosfeer.
De KM3NeT ziet er als volgt uit. Een kubieke kilometer van de zee wordt volgehangen met optische detectiemodules die losse fotonen kunnen meten. Iedere module is een bol waarin meerdere sensoren zitten. Iedere sensor kan losse fotonen meten. Zo vangt iedere detectiemodule in allerlei richtingen fotonen op.
De modules zijn opgehangen aan verticale lijnen die zijn verankerd aan de zeebodem. Dit netwerk van modules zorgt ervoor dat heel precies kan worden achterhaald waar de neutrino’s vandaan kwamen.
Wanneer er een zeldzame neutrino-interactie plaatsvindt met elementaire deeltjes in het water, dan worden er geladen deeltjes gecreëerd. De geladen deeltjes polariseren het water waarbij fotonen vrijkomen. Dit noem je ook wel Cherenkovstraling. Lichtsensoren in de optische modules vangen het zo ontstane licht op. Uit alle metingen van de verschillende modules ontstaat dan een lichtpatroon. Vaak veroorzaakt een neutrino een lichtspoor van honderden meters. Dit zie je dan terug in het lichtpatroon. Hieruit kun je dan de richting en de energie van het neutrino bepalen.
Hoe weet je zeker dat je naar een neutrino kijkt en niet naar een ander deeltje? Daarvoor wordt de aarde als schild gebruikt. Als het deeltje van onder lijkt te komen, dan kan dat niets anders zijn dan een neutrino. Alleen die kan dwars door de aarde zijn gereisd.
De ene neutrino is de andere niet
Toen Wolfgang Pauli in 1930 de eerste theorie presenteerde over neutrino’s, maakte hij zich erg zorgen. “Ik heb iets heel ergs gedaan, ik suggereer het bestaan van een deeltje dat nooit gedetecteerd kan worden” zei hij, maar niets was minder waar. We detecteerden het eerste neutrino, ontdekten anti-neutrino’s en ontdekten dat neutrino’s in drie smaken voorkomen: de elektron-, muon- en tauneutrino.
In 1960 leek er sprake van een groot probleem rondom het detecteren van neutrino’s. Wetenschappers hadden uitgerekend hoeveel elektronneutrino’s we verwachten van de zon, maar de verscheidene experimenten maten maar 30-50% van de verwachte waarde. Waar was de rest van de neutrino’s van de zon? Het bleek dat de missende neutrino’s waren veranderd in muonneutrino’s. Deze worden niet geproduceerd in de zon, dus moesten de elektronneutrino’s van smaak zijn veranderd. Dit was de ontdekking van neutrino-oscillaties wat uiteindelijk leidde tot een Nobelprijs in 2015.
Elke kleine of grote ontdekking in de wetenschap beantwoordt een vraag, maar roept ook weer nieuwe vragen op. Hoe werken neutrino-oscillaties? Zijn er meer dan drie soorten neutrino’s? De KM3NeT-detectoren willen deze vragen beantwoorden. De detectoren hebben dezelfde indeling als hun voorganger, de Antares-detector, alleen staan de detectormodules in de KM3NeT/ORCA-detector dichter bij elkaar. Dit zorgt ervoor dat dit meetinstrument gevoeliger is voor neutrino’s met een lagere energie. Deze neutrino’s produceren namelijk een kleiner en minder helder lichtpatroon, dat met de nieuwe detector toch te meten is. Onderzoekers willen juist deze neutrino’s met een lagere energie – lager dan de energie van kosmische neutrino’s uit een ander sterrenstelsel – meten, omdat het neutrino-oscillatie-effect vooral optreedt bij deze neutrino’s. Zo kunnen onderzoekers met de nieuwe KM3NeT/ORCA-detector het oscillatie-effect onderzoeken en bijdragen aan het ontrafelen van de neutrino mysteries.
