Grootste neutrinotelescoop ter wereld staat op de Zuidpool - ie

technologie

Grootste neutrinotelescoop ter wereld staat op de Zuidpool IceCube heeft volume van één kubieke kilometer BRUSSEL. Op Antarctica (het continent rond de Zuidpool) doen wetenschappers uit verschillende landen wetenschappelijk onderzoek. Sommigen verblijven er permanent, maar de meesten zijn er slechts in bepaalde seizoenen. De onderzoeksdomeinen zijn – onder meer – geneeskunde, klimatologie, aardmagnetisme, meteorologie, geofysica en technologie. In 2010 werd op de Zuidpool, na jaren van plannen en testen, het laatste element van het IceCube-observatorium geïnstalleerd. Aan de grootste neutrinotelescoop ter wereld werkten wetenschappers mee van de Vrije Universiteit Brussel en van de Universiteit Gent. Grofweg 100 ingenieurs waren er bij betrokken. Prof. dr. Nick van Eijndhoven (VUB) legt uit wat het wetenschappelijk ! Van onze hoofdredacteur

project inhoudt.

“IceCube is een wetenschappelijk instrument dat inzichten van de astrofysica, de deeltjesfysica en de kosmologie combineert. De relatief jonge wetenschappelijke discipline wordt astrodeeltjesfysica genoemd. De hoogenergetische neutrino’s die men met de neutrinotelescoop kan waarnemen, geven interessante informatie over de kosmologische verschijnselen die zich aan de rand van het heelal afspelen. Hoogenergetische neutrino’s detecteert men met het IceCube-observatorium. Het is het hoofdthema van het onderzoek. Het gigantisch project heeft meer dan tien jaar van plannen, ontwikkelen en testen gekost. Eind december 2010 werd het laatste element van het IceCube-observatorium op de Zuidpool geïnstalleerd.”

Neutrino “Tot het einde van de jaren 1920 waren er slechts drie subatomaire deeltje bekend: (mantel)elektronen en de kerndeeltjes protonen en neutronen. In het begin van de jaren dertig ontdekte men dat er bij bepaalde processen - het zogeheten betaverval - elektronen met een hoge energie uit de atoomkern vrijkwamen. Hun energie is heel wat groter dan die van de elektronen die rond de kern draaien, de mantelelektronen. Een nauwkeurige bestudering van het betaverval toonde aan dat bij een beschrijving van het proces als een verval van een neutron in een proton en een elektron de energie niet behouden bleef. Wolfgang Pauli loste dat probleem op. Hij stelde dat er bij het betaverval nog een derde deeltje ontstond dat geen lading had en ook niet werd waargenomen. Dat uit de atoomkern vrijgekomen ‘spookdeeltje’ noemde de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi in 1934 ‘neutrino’, wat het Italiaanse equivalent is van ‘klein neutraaltje’. Een neutrino is een lepton, wat ‘klein’ betekent in het Grieks. Pas in 1956, twee jaar na het overlijden van Fermi, slaagde men erin om neutrino’s langs experimentele weg te bepalen. Neutrino’s hebben geen lading en zijn dus ongevoelig voor elektromagnetische interacties. Neutrino’s zijn ook ongevoelig

I-mag april 2012

12

TECHNOLOGIE

Nick van Eijndhoven Nick van Eijndhoven werd in 1960 in ‘s Hertogenbosch geboren. Hij studeerde experimentele hoge-energiefysica aan de universiteit van Nijmegen. In 1983 specialiseerde hij zich aan de Vrije Universiteit van Amsterdam in het domein van de hoge-energieneutrino’s. Daar promoveerde hij ook tot doctor. Hij werkte 8 jaar op de CERN, keerde daarna terug naar Nederland waar hij gedurende 17 jaar professor was aan de universiteit van Utrecht. Sinds drie jaar is hij professor aan de Vrije Universiteit van Brussel, waar hij het vak ‘experimentele hoge-energiefysica’ doceert. Hij staat bekend voor zijn heldere uitleg van de complexe moderne fysica. Dat ondervonden ook wij bij dit interview. NL

stelsel is de naam die het sterrenstelsel kreeg, omdat het vanaf de aarde lijkt op een melkkleurige penseelstreek langs de nachtelijke hemel.”

Zon “De meeste neutrino’s die de aarde bereiken zijn afkomstig van de zon, die ook een ster is aan de rand van ons sterrenstelsel. In de zon botsen waterstofkernen tegen elkaar. Zo vormen ze heliumkernen. Bij dat kernfusieproces komt er energie vrij. De oppervlakte van de zon, de zogenaamde fotosfeer, zendt het zichtbaar licht uit dat we op aarde zien. De oppervlakte van de zon is korrelig. Dat komt doordat hete gassen naar boven stijgen en koelere naar beneden zakken, naar de convectiezone eronder. Fotonen die uit de kern van de zon komen, botsen op ionen en dragen kleine hoeveelheden energie over. Per seconde passeren er miljarden zonneutrino’s per vierkante centimeter.”

Herkomst “Neutrino’s zijn zo oud als het heelal. Men ontdekte dat ze hun ontstaan te danken hebben aan kosmologische bronnen of aan het botsen of uitsterven van sterren. Volgens optimistische schattingen zijn er niet meer dan tienduizend sterren vanaf de aarde zichtbaar, terwijl het sterrenstelsel vele miljoenen sterren telt. Interstellair waterstof en stof ontneemt ons evenwel het zicht op sterren die verder weg staan. Bovendien wordt het waterstofgas niet gelijkmatig door het heelal verspreid, maar in plekken met hoge concentraties, want de zwaartekracht trekt het gas bijeen. Die moleculaire wolken zijn de wieg voor nieuwe sterren. Na enkele miljoenen jaren valt de grote gaswolk in kleine gaswolken uiteen. Daaruit wordt dan opnieuw een ster geboren. Sterrenbeelden zijn configuraties van sterren, zoals we ze vanaf de aarde kunnen zien. Het Melkwegstelsel bestaat uit meer dan tweehonderd miljard sterren en een onmetelijke hoeveelheid interstellair gas en stof. Melkweg-

Grootste telescoop

Prof. dr. Nick van Eijndhoven: “Het IceCube-observatorium bestaat uit twee componenten. De eerste - de ‘InIce-component’ - bevindt zich op een diepte tussen 1.450 en 2.450 meter in het Zuidpoolijs. De tweede - de ‘IceTop-component’ - bevindt zich aan de oppervlakte van het ijs. De InIce-component bestaat uit 86 verticale kabels of strings. Elke kabel heeft 60 ‘glazen bollen’ waarin heel wat hightech elektronica is aangebracht. De wetenschappelijke naam van zo’n ‘glazen bol’ is ‘digital optical module’ of DOM, optische module of fotonmultiplier.”

“IceCube is een van de meest ambitieuze wetenschappelijke projecten die ooit werden gebouwd. Het heeft een volume van één kubieke kilometer. Er werd voor Antarctica gekozen, omdat het de koudste plek op aarde is. De temperaturen schommelen met de jaargetijden. Afhankelijk van de plaats ligt de temperatuur tussen 20 C en -60 °C. In het Vostok-station, op een duizend kilometer van de Zuidpool, werd de laagste temperatuur ooit op aarde gemeten: -89 °C. Antarctica is praktisch volledig met ijs bedekt. Het continent heeft de laagste luchtvochtigheid. De ijsdikte bedraagt gemiddeld 3 km. Negentig procent van al het ijs op de wereld ligt op Antarctica. De Zuidpool is ook een solide laag ijs die zich op een rotsachtige ondergrond bevindt. Dat voorkomt de vervorming van de detectoren. De ‘ondergrond’ van de Noordpool bestaat uit water. Een groot gebied eromheen is met ijs bedekt: geen landijs zoals op Antarctica en Groenland, maar zee-ijs dat gemiddeld 1 tot 4 meter dik is en uit bevroren oceaanwater bestaat. In de zomer neemt de totale oppervlakte van het ijs op de Noordpool af door de sterke stijging van de luchttemperatuur. De Noordpool is dus onvoldoende stabiel voor wetenschappelijke metingen, zoals die met de IceCube. Bij het IceCube-project zijn 35 instituten betrokken uit verschillende landen, zoals China, Duitsland, Engeland, Zweden, de VS, België, Zwitserland, Japan, Nieuw-Zeeland en Australië. Antarctica wordt wel eens beschouwd als het wetenschappelijk paradijs”.

“In totaal bevinden er zich 86 keer 60 of 5160 van die ‘glazen bollen’ in het ijs. Aan de oppervlakte bevinden zich bij elke string 2 grote tanks die gevuld zijn met

Tekst en foto’s: Ing. Noël LAGAST MSc

Muonneutrino

voor sterke kernkrachten, maar volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie zijn ze wel gevoelig voor zwaartekracht, net als trouwens de massaloze fotonen of lichtdeeltjes.”

zeer helder ijs. Eerst worden die tanks met water gevuld. Dat bevriest na een tijdje. Elke tank heeft 2 ‘glazen bollen’ om ook in die tanks de lichtsignalen te kunnen waarnemen die de geladen deeltjes produceren die door de tank gaan. Die tanks met glazen bollen vormen de zogeheten IceTop-detector die de kosmische straling meet. Een IceTop heeft dus 2 keer 86 of 172 tanks en bijgevolg 2 keer 86 keer 2 of 344 ‘glazen bollen’. Een foton dat door het glas onderaan de DOM gaat, treft een soort metaal en maakt een elektron vrij. Het wordt door de hoogspanning, die via een kabel naar de DOM wordt toegevoerd, versneld. Het treft op zijn weg een volgend plaatje, maakt opnieuw een elektron vrij, enz.”

“Een muonneutrino is de tweede generatie neutrino’s uit het standaardmodel van drie generaties. De eerste generatie is het elektronneutrino, de derde generatie heet de tauneutrino. Neutrino’s gaan bijna ongehinderd door gewone materie heen. Met IceCube willen we de bronnen achterhalen van de deeltjes die met een enorme energie onze aardatmosfeer doordringen. Zo kan men nagaan welke fenomenen de kosmische straling veroorzaken. Het onderzoek van de VUB focust daarbij op de signalen van de sensoren die zich diep in het Antarctisch ijs bevinden.”

IceCube

13

I-mag april 2012