Natuurkundigen hebben het meest energierijke neutrino ooit gemeten. Het deeltje veroorzaakte een lichtshow in een detector op de bodem van de Middellandse Zee. Het ontstond waarschijnlijk vlak bij een superzwaar zwart gat of een andere spectaculair kosmisch verschijnsel.
Het gonsde al een tijdje rond: KM3NeT, de neutrinodetector op de bodem van de Middellandse Zee, zou het meest energierijke neutrino ooit waargenomen hebben. Een bijzondere prestatie, zeker omdat de detector nog in aanbouw is en op het moment van de waarneming slechts een tiende van zijn uiteindelijke formaat had.
Nu zijn de geruchten bevestigd. KM3NeT heeft op 13 februari 2023 inderdaad een knaller waargenomen met dertig keer meer energie dan het vorige record-neutrino. Het nieuwe record staat op ongeveer 220 peta-elektronvolt (220 miljoen miljard elektronvolt). Dat is 30.000 keer meer dan de energie van deeltjes in de LHC, de krachtigste deeltjesversneller op aarde. De resultaten verschenen in vakblad Nature.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Kosmische spookdeeltjes
Neutrino’s zijn superlichte, ladingsloze spookdeeltjes die vrijwel ongehinderd overal doorheen vliegen. Ze ontstaan bijvoorbeeld bij botsingen in deeltjesversnellers en bij kernreacties in reactoren op aarde of in de zon. Zogeheten kosmische neutrino’s ontstaan verder weg in het heelal, bij spectaculaire verschijnselen zoals supernova-sterexplosies of actieve zwarte gaten. Deze neutrino’s hebben een opvallend hoge energie.
Omdat deze kosmische spookdeeltjes ongehinderd en onverstoord door het heelal vliegen, wijzen ze in een rechte lijn terug naar hun bron. Daardoor kunnen ze iets vertellen over de bronnen waar ze vandaan komen. Daarom bouwen astrofysici zogeheten neutrinotelescopen, zoals KM3NeT.
De afgelopen jaren zijn er al een handvol kosmische neutrino’s waargenomen door KM3NeT’s concullega IceCube – een neutrinotelescoop in het zuidpoolijs.
Botsende neutrino’s
Het nadeel van deeltjes die overal ongehinderd doorheen vliegen, is dat ze lastig te detecteren zijn. Ze botsen maar heel af en toe op een molecuul. Om de kans op een botsing zo groot mogelijk te maken, maken wetenschappers hun detectoren ook zo groot mogelijk.
KM3NeT maakt handig gebruik van het water van de Middellandse Zee. Als een neutrino op een watermolecuul botst, komt er namelijk een geladen deeltje vrij dat door het water schiet en daarbij een lichtspoor achterlaat. Op de zeebodem is het zo donker dat de gevoelige lichtdetectoren van KM3NeT die lichtsporen kunnen waarnemen.
‘We zien dus geen neutrino’s met onze detector’, vertelt Dorothea Samtleben, programmaleider van de Nikhef-neutrinogroep en verbonden aan de Universiteit Leiden. ‘We detecteren de geladen deeltjes die ontstaan bij neutrinobotsingen, als we het geluk hebben dat ze door onze detector reizen.’
Toevallig
KM3NeT bestaat uit twee delen in de Middellandse Zee. Het ultra-energieke neutrino is waargenomen door het deel ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), bij de Italiaanse kust. ARCA bestond tijdens de meting uit ruim twintig lijnen van 700 meter lang met elk achttien transparante bollen met daarin lichtdetectoren. De lijnen zitten vast op 3,5 kilometer diepte op de zeebodem. Aan het eind van dit decennium moet ARCA compleet zijn. Dan bestaat het systeem uit een ‘bos’ van 230 bollenlijnen.
De detector is zo ontworpen dat je ook met een paar lijnen al deeltjes kunt waarnemen. Dat gebeurde de afgelopen jaren ook al, maar tot nu toe waren dat neutrino’s met veel minder energie, waarvan de meeste zeker niet uit het verre heelal kwamen.
‘Ruim een jaar geleden waren we aan het kijken of we toevallig al kosmische neutrino’s in onze waarnemingen zagen toen we deze tegenkwamen’, vertelt Aart Heijboer, fysica- en softwaremanager van KM3NeT ten tijde van de detectie, tevens Nikhef-onderzoeker en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam. ‘Het was snel duidelijk dat dit een kosmisch neutrino was, maar het duurde even voordat het tot ons doordrong dat het het meest energierijke neutrino was dat ooit was gezien.’
Zwart gat of kosmogeen
Met deze waarnemingen hebben de onderzoekers voor het eerst aangetoond dat neutrino’s met zulke hoge energieën in het heelal worden geproduceerd. De vraag is nu waar en hoe het ultra-energieke neutrino is ontstaan. Een kandidaat is de turbulente omgeving van een superzwaar zwart gat. ‘Dat zijn kosmische deeltjesversnellers’, vertelt Heijboer. In de deeltjesstromen die superzware zwarte gaten uitspuwen worden onder meer atoomkernen versneld. Bij onderlinge botsingen kunnen ultra-energierijke neutrino’s ontstaan.
Een andere optie is dat zulke neutrino’s ontstaan als die versnelde atoomkernen in het heelal botsen op lichtdeeltjes uit de kosmische achtergrondstraling – de nagloed van de oerknal. ‘We verwachten dat dit een gloed oplevert van zogeheten kosmogene neutrino’s met ongeveer deze energie’, zegt Heijboer. Dit zou de eerste waarneming daarvan zijn.
Welk van de twee mogelijkheden het is, is onduidelijk. ‘Doordat we een nauwkeurige tijdsresolutie hebben van het lichtspoor, kunnen we de richting waaruit het neutrino kwam bepalen’, vertelt Samtleben. In die richting zijn een aantal mogelijke bronnen te zien, maar de resolutie is niet goed genoeg om te bepalen welke het is.
De onderzoekers hopen de komende tijd hun detector beter te begrijpen en zo de resolutie te kunnen verbeteren om een mogelijke bron aan te wijzen. Als KM3NeT voltooid is, zijn er meer kosmische neutrinometingen te verwachten, met betere resolutie. Deze recordmeting is dus een veelbelovende start voor de neutrinotelescoop op de bodem van de Middellandse Zee.
