Boeken

Monday, February 18, 2008

Neutrino’s vangen met een kubieke kilometer zuidpoolijs

Hoe vang je spookdeeltjes die bijna overal dwars doorheen schieten? Op de geografische zuidpool proberen onderzoekers het met een kubieke kilometer zuidpoolijs. Hier is een van de grootste experimenten ter wereld in aanbouw.

Dit artikel is verschenen in De Ingenieur, mei 2006


Het duurt nog tot 2011 eer ’s werelds grootste neutrinodetector gereed is, maar inmiddels zijn al negen van de tachtig kabels met detectoren diep in het zuidpoolijs vastgevroren. Het eerste meten kan al beginnen. IceCube, zoals de detector heet, wordt speciaal gebouwd voor het speuren naar hoog energetische neutrino’s, de ruimte in geslingerd door puntbronnen ver weg in het heelal. Supernova’s, gammaflitsen of zwarte gaten bijvoorbeeld. Volgens de huidige sterrenkundige theorieën kunnen er neutrino’s met energieën tot naar schatting 1018 elektronvolt worden uitgezonden. Dat is een miljoen maal hoger dan de krachtigste deeltjesversnellers op aarde momenteel kunnen produceren. Het vangen van deze kosmische neutrino’s kan zowel de natuurkunde van de fundamentele bouwstenen van ons heelal een stapje vooruit helpen, als nieuwe kosmologische inzichten leveren.

Nog nooit is er echter een detector in geslaagd dergelijke hoogenergetische kosmische deeltjes te betrappen op hun reis dwars door de aarde. Het heeft al veel moeite gekost om met de Kamiokande-detector in Japan zonneneutrino’s te meten, die in veel grotere hoeveelheden de aarde treffen, een veel lagere energie hebben en dus iets makkelijker te detecteren zijn (Nobelprijs natuurkunde 2002). Om hoogenergetische kosmische neutrino’s te betrappen is daarom een groot detectorvolume nodig en veel, heel veel geduld. Neutrino’s zijn elementaire deeltjes zonder elektrische lading en met zo weinig massa dat ze met vrijwel de lichtsnelheid dwars door alles heen vliegen. Zo schieten er per seconde miljarden neutrino’s door ieder mens heen. En niemand die er ooit iets van merkt. Ware spookdeeltjes.

Blauwe lichtflitsen in het zuidpoolijs
De Utrechtse eerstejaars promovendus Martijn Duvoort woonde afgelopen november twee weken op de geografische zuidpool om mee te helpen aan de bouw van IceCube. Hij testte er digitale, optische detectiebollen, voordat ze de ijzige diepte induiken. “Wanneer een neutrino binnen een paar kilometer van de detector toch op een atoomkern botst, en dat gebeurt heel zelden”, vertelt Duvoort, “dan ontstaat een muon, een ander fundamenteel deeltje. Zo’n deeltje kan typisch iets van tien kilometer reizen en produceert zogeheten Cherenkovstraling.”
Dat licht heeft een blauwe kleur en breidt zich in de vorm van een kegel met een hoek van 41 graden langs de muonbaan uit. Als dit in een transparant medium als water of ijs gebeurt, kunnen optische detectoren de Cherenkovstraling waarnemen. Duvoort: “Onze detectiebollen doen het in ijs. In de Middellandse Zee is de Europese Antares-detector in aanbouw, die het in water gaat proberen.”

Een neutrinotelescoop voor kosmische spookdeeltjes moet groot genoeg zijn zodat enkele van deze zeldzame neutrino’s de detector passeren. Bovendien moet de detector transparant genoeg zijn voor voortplanting van de Cherenkovstraling en het aanslaan van de optische detectoren. De diepe zee en het diepe ijs voldoen hieraan. Dit zijn de ideale plekken voor dit type neutrinodetectoren. Het zuidpoolijs blijkt buitengewoon zuiver, transparant en vrij van radioactiviteit te zijn. Anderhalve kilometer onder het zuidpooloppervlak, legt de het blauwe Cherenkovlicht ruim honderd meter af in het verder donkere ijs.

De zuidpooldetector IceCube en de vijftig keer zo kleine Middellandse Zeedetector Antares zijn in zekere zin complementair. IceCube zoekt naar neutrino’s die vanuit de noordelijke hemel komen, terwijl Antares juist kijkt naar de zuidelijke hemel. Omdat ijs het licht meer verstrooit, maar minder absorbeert, heeft IceCube een betere energieresolutie en een grotere effectief detectievolume, terwijl Antares de detectiehoek iets preciezer kan bepalen. Antares ligt op 2,5 kilometer diepte in zee. Een nadeel van een detector in zee, is dat er zelfs op die diepte beestjes zijn die via bioluminescentie licht uitzenden waar de detector last van heeft. Antares is eigenlijk een onderzoeksproject als voorloper van KM3net, een detector in de Middellandse Zee, die net als IceCube een kubieke kilometer groot moet worden.

Omdat alleen neutrino’s dwars door de aarde heen kunnen schieten, werkt de aarde zowel voor een detector in ijs als voor een detector in water als een soort filter. Ook in het Baikalmeer in Rusland zit trouwens nog een kleine neutrinodetector.

Gratis zuidpoolkoeling
Kosmische spookdeeltjes betrappen met gewoon aards, zichtbaar blauw licht in een kubieke kilometer zuidpoolijs. Een bizarre onderneming, en een van de grootste experimenten die ooit op aarde zijn gebouwd.

IceCube is de opvolger van Amanda, een meer dan vijftig keer zo kleine detector, en daarmee even groot als Antares, zodra deze af is. Amanda wist tussen 2000 en 2005 geen enkel kosmisch neutrino te betrappen. Het geduld raakte op, en dus moest het allemaal nog groter. “In totaal worden er voor de nieuwe detector tachtig gaten van 2,5 kilometer diep en zestig centimeter breed in het ijs gesmolten”, vertelt Duvoort. “Dat gebeurt met warm water. De boorkop is eigenlijk een blok metaal met sensoren die kijken of het blok recht hangt. Druksensoren geven aan hoe diep in het ijs de boorkop zit. Een gat maken duurt anderhalve dag. In elk gat gaat dan een dikke kabel met zestig optische detectiebollen.” Omdat er vanwege de veiligheid alleen tijdens de twee zomermaanden op de geografische zuidpool wordt gewerkt, duurt het echter nog vijf jaar voordat de detector helemaal af is.

De bollen bivakkeren tussen 1400 en 2400 meter diep in het ijs. Aan elke kabel, in elk van die tachtig gaten, hangen zestig bollen. De afstand tussen de bollen aan een kabel is zeventien meter. De kabels liggen onderling 125 meter uit elkaar, in een hexagonaal rooster van een kilometer hoog. Eenmaal in het ijs, vriezen ze vast en worden ze er nooit meer uitgehaald. Dat zou teveel moeite kosten. Elke detectiebol is 35,6 centimeter breed en uitgerust met een klok en een computer. “Een computer krijgt gratis koeling op de zuidpool. Erg handig”, zegt Duvoort. “Binnenin de bol is het een paar graden onder nul als hij in het zuidpoolijs ligt.”
De elektrische voeding voor de bollen wordt aangevoerd via de kabels, en wordt aan het pooloppervlak met dieselgeneratoren opgewekt, net als alle andere elektriciteit die op de pool nodig is. Een twisted pair van kabeltjes voorziet twee bollen van stroom, zodat er per kabel in elk boorgat dertig twisted pairs naar beneden lopen. Overigens is het energieverbruik van een enkele detectiebol maar drie watt. De kabels zijn zes centimeter dik, en dienen niet alleen voor het elektriciteitstransport maar ook voor alle signaaltransport van boven naar beneden en terug.

Een detectiebol meet de lichtflits van het muon met een fotomultiplier die gevoelig is voor het blauwe licht van de Cherenkovstraling. De detectieklok in de bol geeft aan die gebeurtenis een tijdsetiket: ‘zo-en-zo laat heb ik de puls gemeten’. Om de muonbaan nauwkeurig genoeg te reconstrueren, moet de klok de tijd met een precisie van nanoseconden bepalen. Omdat het licht in een nanoseconde al een meter aflegt, betekent elke nanoseconde afwijking immers dertig centimeter afwijking in de baanbepaling. De richting van het neutrino wordt zo met een nauwkeurigheid van een halve graad bepaald. De muonbaan ligt vrijwel in het verlengde van de neutrinobaan, en daardoor weten de onderzoekers met de muonbaan ook de neutrinobaan. Op hun reis door de kosmos worden neutrino’s – in tegenstelling tot lichtdeeltjes – niet verstoord en dus wijst de neutrinorichting direct naar de kosmische bron.

De klok in elke detectiebol wordt iedere paar microseconden geijkt, omdat de interne elektronica anders voor een tijdsverloop zorgt. Aan het pooloppervlak staat boven elke kabel een klokje dat pulsen naar beneden zendt. Zodra een detectiebol de puls ontvangt, zendt hij een signaal terug naar boven. Aan de hand van de tijdsverschillen en de bekende afstanden, worden de interne klokken van de bollen met een precisie van nanoseconden geijkt. Door deze precisie kan IceCube nauwkeuriger dan Amanda en Antares hoe één enkel lichtdeeltje binnenkomt.
Een detectiebol moet tegen een druk van achthonderd bar kunnen. Die is het gevolg van de diepte en van de ijskristallen die tegen de detectiebol drukken. Nadat het gat met warm water in het ijs is gemaakt, vriest het van boven naar beneden dicht. Het kan wel een week duren voordat het gat ook helemaal beneden, op 2,5 kilometer diepte, is dichtgevroren. Daarbij zet het water een beetje uit. “Een bol vriest helemaal vast in het ijs”, vertelt Duvoort. “De lokale spanning in het ijs dat in het boorgat zit, kan zelfs zo groot dat er licht bij ontstaat. Dat heeft IceCube ook al gemeten. Maar dat gebeurt alleen tijdens het invriezen.”

De meetbollen en het data-acquisitiesysteem zijn vóór transport naar de zuidpool uitgebreid getest in een koelcel in het Zweedse Uppsala. “Drie weken lang worden de bollen in die diepvrieskist blootgesteld aan temperaturen variërend tussen -20 en -55 graden Celsius. Aan die tests in Zweden heb ik meegeholpen, en dat heeft mij het ticket naar de zuidpool bezorgd. Hoewel het ijs stabiel is, varieert de ijstemperatuur. Aan het oppervlak kan de lucht ’s winters -80 zijn. Dan is het ijs daar zo’n -55. Naar beneden toe wordt het ijs warmer, tot zo’n -20 op 2,5 kilometer diepte.”

Neutrinohandtekening
Goed, dan detecteren de bollen licht. Maar wat zegt dat over een neutrino? Hoe weet je waar ze vandaan komen? Dat is een lastige klus.

Omdat het ijs het licht verstrooit, houden de wetenschappers daar in de baanreconstructie rekening mee. Dat is verre van triviaal. Duvoort: “De eigenschappen van het ijs hangen onder andere af van de hoeveelheid stof in het ijs en die is gelaagd. Dat moeten we allemaal meenemen.” In principe zit er op een grotere diepte minder stof, daarom wordt de detector ook zo diep in het ijs gebouwd. Maar het is ook gebleken dat ergens halverwege de detector twee stoflagen liggen. Bij het boren van het eerste gat voor IceCube ging er zelfs een speciale dustlogger met de boorkop mee naar beneden, een apparaat voorzien van een laser en enkele sensoren. De dustlogger bracht de reflectie van het ijs in kaart en daarmee de stofgelaagdheid. Inmiddels ligt het apparaat voor eeuwig vastgevroren beneden in een boorgat.

Voor de baanbepaling is een klokprecisie van nanoseconden vereist. Maar de gebeurtenis zelf, een botsend neutrino, hoeft maar met een precisie van microseconden bekend te zijn. Wanneer de detector een neutrinobotsing meet – via de Cherenkovstraling van het muon – dan geeft een gps aan het pooloppervlak aan de gehele gebeurtenis een tijdstip met een precisie van microseconden. Dat is voldoende.

Dan is de richting bekend waaruit het neutrino kwam, en het moment waarop het is gebotst. Maar wat was de energie van het neutrino? Duvoort: “Eigenlijk weten we weinig over de energie. Door de afstand tussen de detectiebollen is IceCube gevoelig voor neutrino’s met een energie tussen 1011 en 1015 elektronvolt, en misschien zelfs nog wel hoger. Neutrino’s met een lagere energie dan 1011 elektronvolt slaan te weinig bollen aan. In principe kun je de energie bepalen uit het stralingsverlies van het muon onderweg. Maar we weten niet waar het neutrino is gebotst en waar het muon dus is ontstaan. Alleen als een neutrino precies binnen IceCube op een ijskern botst, kunnen we achterhalen waar het is gebotst. Maar de kans is groter dat het ergens buiten de detector botst met een ijskern.”

Door later het detectietijdstip en de neutrinorichting te vergelijken met satellietwaarnemingen van bijvoorbeeld gammaflitsen, kunnen de onderzoekers kijken of er bij een gammaflits ook hoog energetische neutrino’s ontstaan, zoals het onbevestigde vermoeden is.

Voor de baanreconstructie is het van belang om binnen een halve meter nauwkeurig te weten wat de afstanden in het ijs zijn tussen de detectiebollen onderling. Idealiter zijn die bekend uit de afstand tussen de boorgaten en de bekende afstanden van bollen aan een enkele kabel. Maar de zuidpoolpraktijk is weerbarstig. Een boorgat wordt zelden kaarsrecht naar beneden geboord, en daardoor kunnen de afstanden tussen bollen aan verschillende kabels toch afwijken van het ideale plaatje. En omdat er aan het oppervlak sneeuw bijkomt, hoeven de boorgaten ook niet precies op dezelfde absolute hoogte te beginnen. Iedere meetbol heeft daarom een aantal led’s die licht naar boven en beneden kunnen flitsen. Uit het tijdstip van licht uitzenden en licht ontvangen wordt de onderlinge afstand van de bollen bepaald.

De detectiebollen sturen de informatie digitaal omhoog. Bij Amanda gebeurde dat nog analoog, maar dat leidde tot signaalbeïnvloeding tussen de bollen, vandaar dat het nu digitaal gebeurt. Duvoort: “Bij Amanda zat er geen extra elektronica in de bollen, omdat men bang was dat die elektronica kapot zou kunnen gaan terwijl je er nooit meer bij kunt. De situatie bleek echter stabieler dan gedacht, vandaar dat er nu een klok en een kleine computer in elke bol zit.”
“De bollen kijken ook om zich heen of hun buren staan te flitsen. Het ijs is transparant, dus dat kunnen ze zien. Als een bol een flits detecteert, en zijn omliggende bollen niet, dan wordt de informatie niet naar boven gestuurd, want dan kan het geen Cherenkovstraling zijn. Pas als twee of drie bollen om hem heen ook flitsen, stuurt een bol zijn informatie naar boven. Op die manier wordt er al in de detector overbodige informatie uitgefilterd.”

Kosmische stoorsignalen
Helaas komen er niet alleen muonen van beneden, dwars door de aarde, maar ook van boven. “Kosmische straling die de atmosfeer binnenkomt, produceert een regen van deeltjes, waaronder muonen. Daarom komt maar een op de miljoen muonen die de detector kan meten van een kosmisch en niet van een atmosferisch neutrino”, aldus de Utrechtse promovendus.
Deze atmosferische muonen zijn de belangrijkste bron van stoorsignalen die de onderzoekers moeten wegfilteren. Op het zuidpooloppervlak staan daarom boven elk kabel twee tanks die speciaal bedoeld zijn om te achterhalen wanneer en waar er atmosferische muonen door de detector schieten. Dat is het IceTop-experiment. IceTop is ook buitengewoon handig voor een goede kalibratie van de IceCube-detector. Hij is speciaal ontworpen voor een nauwkeurige baanbepaling van de atmosferische muonen. Dezelfde muonen gaan in het algemeen niet alleen door IceTop maar ook door IceCube, die zo’n twee kilometer onder IceTop ligt. IceCube zou voor die atmosferische muonen dus dezelfde richting moeten meten als IceTop, die zo als kalibratie voor de grote detector dient. Een zeer handige methode. De detectoren in zee hebben niet zo’n kalibratie-experiment op het zeeoppervlak staan.

Na filtering blijft er per dag zo’n dertig gigabyte aan data over. Die worden gecomprimeerd tot vier gigabyte en opgeslagen. Daarna begint de digitale zoektocht naar kosmische spookdeeltjes.
Aan IceCube werken onderzoekers van dertien Amerikaanse en veertien Europese onderzoeksinstituten mee. De Nederlandse inbreng komt van de Universiteit Utrecht en van Stichting Ruimteonderzoek Nederland (sron), ook in Utrecht. Behalve bij de detectiebollen, zijn de Nederlanders ook betrokken bij de reconstructie- en analysesoftware. Het geld, zo’n driehonderd miljoen euro in totaal, komt voornamelijk van de Amerikaanse National Science Foundation. Duvoort staat weer op de lijst voor een volgende missie naar de geografische zuidpool. “Toch leuker dan vier jaar van je promotiewerk alleen achter je bureau zitten.”

Internet
De IceCube-website: http://icecube.wisc.edu/
Website van Martijn Duvoort met zijn eigen fotoverhaal (IceCube november/december 2005): www.astro.uu.nl/~duvoort/
In 2002 ging de Nobelprijs natuurkunde naar de detectie van (relatief) laagenergetische kosmische neutrino’s: http://nobelprize.org/physics/laureates/2002/press.html
In het water van de Middellandse Zee wordt binnen een Europees project een andere neutrinodetector gebouwd: Antares, ter grootte van de kleine zuidpooldetector Amanda: http://antares.in2p3.fr/
De geplande opvolger van Antares heet KM3net, die net als IceCube een kubieke kilometer moet gaan meten en net als Antares in de Middellandse Zee moet worden gebouwd: www.km3net.org/