Radar en ijs kunnen helpen het ongrijpbare kosmische neutrino te vinden

Neutrino's zijn sinds hun ontdekking in de tweede helft van de vorige eeuw een van de grootste mysteries in de astrofysica. Het zijn elementaire deeltjes die geen elektrische lading hebben en bijna geen massa - minder dan een miljoenste van de massa van een elektron -, die vrijwel niet interageren met andere deeltjes en die met een snelheid die bijna gelijk is aan de lichtsnelheid in een rechte lijn overal doorheen vliegen, door de atmosfeer, onze lichamen, de aarde...

Ze worden gevormd bij bepaalde vormen van radioactief verval, zowel natuurlijke als artificiële, en ook bij de nucleaire reacties in sterren, en dus ook in onze zon. De zon bombardeert ons constant met neutrino's en geschat wordt dat er per seconde zo'n 65 miljard zonneneutrino's passeren door elke vierkante centimeter loodrecht op de zon. 

Omdat neutrino's nauwelijks interactie hebben met andere deeltjes, zijn ze moeilijk te detecteren of te 'vangen': als datgene wat je wil meten, geen invloed uitoefent op je meetinstrument, krijg je uiteraard geen metingen. Toch zijn er een aantal experimenten om neutrino's te detecteren, onder meer het IceCube Neutrino Observatory in het ijs van Antarctica, en die registreren de zeldzame keren dat een neutrino toch op een ander deeltje botst en zo een reactie veroorzaakt.

Ook vanuit de verste uithoeken van het heelal bereiken ons echter neutrino's, kosmische neutrino's, en die zijn extreem hoogenergetisch. De bestaande technieken om neutrino's te detecteren zijn vooral goed voor neutrino's met een lagere energie, onder 10 PeV (petavolt, 10 biljard elektronvolt) en neutrino's met een extreem hoge energie, boven 100 PeV. Een hele klasse van dergelijke neutrino's, namelijk die met energieën tussen 10 en 100 PeV vallen nu echter uit de boot. En die neutrino's hopen de onderzoekers nu met hun nieuwe techniek toch te detecteren. 

(lees verder onder de foto)

De techniek uit de nieuwe studie steunt op een fenomeen dat in het Engels cascade (waterval) genoemd wordt, en het gevolg ervan in het Nederlands een deeltjesspoor. 

Neutrino's met een hogere energie maken meer kans om te botsen op een atoom en deze botsingen zetten een 'waterval' van gebeurtenissen in gang en veroorzaken een spoor van geladen deeltjes, een deeltjesspoor. En die sporen zijn belangrijk: als de onderzoekers het deeltjesspoor kunnen detecteren, kunnen ze een neutrino detecteren. 

Wetenschappers hebben uitgemaakt dat de beste plaatsen om neutrino's waar te nemen grote platen afgelegen ijs zijn: de meest succesvolle en meest langlopende neutrino-experimenten bevinden zich op de Zuidpool. Maar tot hiertoe hebben die experimenten nog geen neutrino's met hogere energieën kunnen detecteren. 

En daar wil het nieuwe onderzoek iets aan doen: het team heeft aangetoond dat, in een laboratorium althans, het mogelijk is om de waterval aan gebeurtenissen die plaatsvinden als een neutrino op een atoom botst, te detecteren door radiogolven te laten weerkaatsen op het spoor van geladen deeltjes dat door de waterval wordt achtergelaten. 

Voor de studie trok het team naar het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië, waar men een 4 meter lang blok plastic opstelde om het ijs in Antarctica na te bootsen, en dat vervolgens bestookte met een bundel hoogenergetische elektronen om neutrino's te simuleren. (De totale energie van die elektronen is volgens professor Prohira gelijk aan de totale energie van een hoge-energieneutrino, en het deeltjesspoor in het plastic komt overeen met het spoor van de botsing van een dergelijke neutrino in het ijs.) 

Vervolgens zonden ze radiogolven uit naar het plastic doelwit om te zien of de golven inderdaad het deeltjesspoor konden detecteren, en dat bleek het geval. Het is de eerste keer dat men de radarecho's heeft kunnen meten van individuele deeltjessporen. 

“Met de testbundel hebben we aangetoond dat het principe werkt. Een spoor van een neutrino met een energie tussen 10 en 100 PeV zal natuurlijk anders zijn dan het spoor gemeten tijdens dit experiment, maar op basis van simulaties denken we dat we die toch zullen kunnen detecteren, namelijk door een krachtigere radargolf het ijs in te sturen”, zei professor de Vries van de onderzoeksgroep Elementary Particle Physics aan de Vrije Universiteit Brussel.

Volgend jaar hoopt het team een opstelling op Antarctica te bouwen om de radarmethode te testen, als opstap naar een detector die de daadwerkelijke neutrinosproren kan meten.

Radiogolven zijn de goedkoopste techniek die we kennen om neutrino's op te sporen, volgens doctor Prohira, en dat is een van de redenen waarom deze ontdekking zo opwindend is, zei hij. Andere technieken kunnen immers erg duur uitvallen. Radiogolven worden al zo'n 20 jaar gebruikt in de zoektocht naar hoge-energieneutrino's, en deze radartechniek kan een nieuw instrument worden in de gereedschapskist met radiogolven.

Als we meer te weten komen over neutrino's, kan dat ons helpen om ook meer te ontdekken over ons Melkwegstelsel en de rest van het heelal. 

"Deze neutrino's zijn fundamentele deeltjes die we niet begrijpen", zei Prohira. "En reacties aan een ultra hoge energie kunnen ons meer vertellen over enorme delen van het universum die niet op een andere manier voor ons toegankelijk zijn. We moeten uitvissen hoe we hen kunnen bestuderen, en dat is wat dit experiment probeert te doen."

Als een neutrino ergens in het universum gecreëerd wordt, beweegt het zich, omdat het bijna nooit interageert met iets anders, voort in een rechte lijn, en dat kan een groot voordeel zijn.

"Neutrino's zijn de enige deeltjes die we kennen die in een rechte lijn reizen - ze gaan recht door dingen", zei Prohira. "Er zijn geen andere deeltjes die dat doen: licht wordt geblokkeerd, andere, geladen deeltjes worden afgebogen door magnetische velden."

"Een neutrino wijst recht terug naar het ding dat het heeft geproduceerd. Het is dus een manier voor ons om deze processen met een extreme energie te identificeren en er meer over te weten te komen."

Zo weten onderzoekers niet waar kosmische stralen met een ultrahoge energie - energierijke protonen en atoomkernen uit de ruimte - vandaan komen. De gebeurtenissen die deze stralen voortbrengen, zouden ook neutrino's moeten produceren en als we die kunnen observeren, kunnen we ze - in een rechte lijn - terug naar de bron volgen. 

“Het soort neutrino’s dat we met de radartechniek zullen kunnen detecteren zal ons meer kunnen vertellen over de extreem energetische astronomische verschijnselen in ons universum. Mogelijk brengt dit zelfs nieuwe natuurkunde aan het licht“, zei professor de Vries.

De studie van het team met K. de Vries en N. van Eindhoven van de Vrije Universiteit Brussel en onderzoekers uit de VS, Rusland en Taiwan, is gepubliceerd in Physical Review Letters. Dit artikel is onder meer gebaseerd op een persbericht van de VUB en een persbericht van de Ohio State University.