IceCube-observatorium op Antarctica bewijst 60 jaar oude voorspelling met hoogenergetisch deeltje uit heelal
In 1960 voorspelde de latere Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow een proces binnen het standaardmodel, het belangrijkste model van de deeltjesfysica. Zijn theorie beschreef de interactie van een antineutrino met een elektron waarbij een nieuw deeltje geproduceerd wordt. Maar geen enkele deeltjesversneller op aarde, ook niet de Large Hadron Collider van CERN, is in staat dit proces te laten plaatsvinden omdat dit extreem hoge deeltjesenergie vraagt. Met (anti)neutrino’s uit de kosmos heeft het IceCube Neutrino Observatorium op de Zuidpool nu wel voor het eerst een dergelijk proces kunnen waarnemen en deze belangrijke voorspelling uit de fysica kunnen bevestigen, onder meer dankzij technieken die door de VUB ontwikkeld zijn.
De Vrije Universiteit Brussel analyseert onder meer data van IceCube en ontwikkelt voor het observatorium innovatieve detectietechnieken op basis van radiosignalen.
"Ons universum spuugt deeltjes uit met energieën die wij op aarde nooit zouden kunnen bereiken. Dit toont duidelijk het belang van de astrodeeltjesfysica bij fundamenteel onderzoek op de hoogste energieschalen. En niet enkel dat. De technologieën die voor dergelijk onderzoek ontwikkeld worden, zoals dataverwerking of radiotechnologie, vinden hun toepassing in de hele maatschappij,” zei Nick van Eijndhoven, de leider van de VUB-groep astrodeeltjesfysica en lid van de IceCube Collaboration die de nieuwe waarnemingen gepubliceerd heeft.
Neutrino's en antineutrino’s, de antimaterie-tweeling van een neutrino, zijn spookachtige, mysterieuze subatomaire deeltjes. 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 enorme snelheid 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.
Naast die zonneneutrino's zijn er ook die afkomstig zijn uit de meest extreme omgevingen in het heelal en daar een enorme energie meekrijgen. Op 6 december 2016 raasde zo een hoogenergetisch deeltje vanuit de ruimte naar de aarde met een snelheid die de lichtsnelheid benaderde en 6,3 peta-elektronvolts (PeV) aan energie vervoerde. Een peta-elektronvolt is 1 biljard elektronvolt of een biljoen - 1.000 miljard - kilo-elektronvolt.
Diep in de ijskap op de Zuidpool botste dat antineutrino tegen een elektron en produceerde een deeltje dat snel verviel in een waterval van secundaire deeltjes, een zogenoemde deeltjesdouche. Deze interactie werd opgevangen door het IceCube Neutrino Observatorium, een enorme telescoop die in de gletsjer van Antarctica is ingegraven.
Een Glashow-resonantie
IceCube had een Glashow-resonantie waargenomen, een fenomeen dat in 1960 werd voorspeld door Sheldon Glashow, een Amerikaanse natuurkundige die in 1973 de Nobelprijs kreeg voor zijn bijdragen aan de ontwikkeling van het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Sheldon voorspelde toen in een artikel dat een antineutrino kon reageren met een elektron om een nog niet ontdekt deeltje te produceren - als het antineutrino maar de juiste energie had. Toen dat deeltje, het W-boson, in 1983 werd ontdekt, bleek het heel zwaar te zijn. De Glashow-resonantie zou een neutrino vereisen met een energie bijna 1.000 keer groter dan wat de Large Hadron Collider van het CERN kan produceren. In feite kan geen enkele door mensen gemaakte of zelfs nu geplande deeltjesversneller op aarde een neutrino met zoveel energie maken.
Maar in het universum zijn er wel natuurlijke versnellers die dat kunnen. Superzware zwarte gaten in de centra van melkwegstelsels en andere extreme kosmische gebeurtenissen kunnen deeltjes opwekken met energieën die onmogelijk op aarde kunnen worden bereikt. Een dergelijk fenomeen was waarschijnlijk verantwoordelijk voor het 6,3 PeV antineutrino dat IceCube in 2016 bereikte.
Glashow, nu emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Boston, benadrukt de noodzaak van meer detecties van Glashow-resonantiegebeurtenissen. "Om er absoluut zeker van te zijn, zouden we nog zo'n gebeurtenis moeten zien bij precies dezelfde energie als de gebeurtenis die is waargenomen," zegt hij. "Tot nu toe is er één, en op een dag zullen er meer zijn."
Neutrino-astronomie verbeteren
Sinds IceCube in mei 2011 volledig operationeel werd, heeft het observatorium honderden hoogenergetische neutrino's gedetecteerd. Maar het antineutrino van 2016 is pas het derde neutrino met een energie van meer dan 5 PeV die door IceCube werd gedetecteerd.
Het is ook meteen de eerste keer dat de metingen neutrino's en antineutrino’s uit elkaar konden houden en dat heeft belangrijke gevolgen voor toekomstige metingen. "Er zijn een aantal eigenschappen van astrofysische neutrino's die we niet kunnen meten, zoals de fysieke grootte van de versneller en de magnetische veldsterkte in het versnellingsgebied," zei Tianlu Yuan, een hoofdanalist. "Als we de verhouding tussen neutrino en antineutrino kunnen bepalen, kunnen we deze eigenschappen wel onderzoeken."
Als onderzoekers zowel de 'smaak' kennen van een neutrino - of het een elektron-neutrino is of een muon-neutrino of een tau-neutrino - en weten of het een neutrino of een antineutrino is, zal dat de vooruitgang van de neutrino-astronomie vergemakkelijken, zeggen de onderzoekers. De astronomie was immers lang gebaseerd op licht en andere vormen van elektromagnetische straling die we konden waarnemen, nu zijn daar ook zwaartekrachtgolven en neutrino's bij gekomen.
Aangezien neutrino's zwak interageren met andere materie worden ze niet aangetast en kunnen ze onaangetaste informatie meebrengen vanuit de verste uithoeken van het heelal. Door het feit dat ze zich in een rechte lijn voortbewegen, is het dan weer mogelijk te achterhalen waar ze vandaan komen. Dat biedt ons dus een nieuw venster op het heelal en vooral op heftige, extreme gebeurtenissen.
Het IceCube-consortium heeft onlangs een upgrade van de detector aangekondigd die in de komende jaren zal worden uitgevoerd, de eerste stap naar IceCube-Gen2. De IceCube Collaboration wil zo in de toekomst nog meer hoogenergetische deeltjes kunnen detecteren en doorslaggevende metingen van de neutrino-tot-antineutrino-verhouding kunnen doen.
Het IceCube-team van de VUB neemt hierbij het voortouw onder leiding van Nick van Eijndhoven en Krijn de Vries. Zij ontwikkelen momenteel een innovatieve detectietechniek, gebaseerd op radiosignalen die worden geproduceerd tijdens het proces van een neutrino-interactie.
De studie over de waarneming van de hoogenergetische antineutrino is vandaag gepubliceerd in Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de VUB.
