IceCube vangt razendsnel neutrino dankzij zeldzame deeltjesreactie

Gieljan de Vries

2021-03-11 12:06:45

neutrino IceCube

Op de Zuidpool ving neutrinodetector IceCube een kosmisch deeltje met meer energie dan een aardse versneller ooit zal kunnen maken.

Vanaf het Zuidpoolijs zag de IceCube-detector in 2016 zijn snelste neutrino ooit inslaan, schrijven sterrenkundigen deze week in het wetenschapsblad Nature. Zulke hoogenergetische deeltjes vliegen normaal gesproken dwars door de aarde heen, waarbij ze zich nauwelijks iets aantrekken van andere materie. Maar áls je ze kunt vangen, krijg je ook meteen informatie over een van de meest extreme gebeurtenissen in het heelal.

Volgens de onderzoekers plakte ‘hun’ neutrino (bijgenaamd Hydrangea) uit 2016 extra makkelijk aan het Zuidpoolijs door de zeldzame en tot nu toe theoretische Glashow-resonantie. Deze theorie werd in 1960 voorspeld door natuurkundige en Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow: als een razendsnel antineutrino en een elektron precies genoeg energie hebben om een nieuw deeltje (het W-boson) te produceren, botsen ze veel makkelijker dan hun tragere soortgenoten.

KIJK spreekt hierover met sterrenkundige Gwenhaël De Wasseige (APC lab, Universiteit van Parijs), een van de wetenschappers achter dit onderzoek.

Lees ook:

neutrino
Visualisatie van het lichtspoor dat het supersnelle neutrino in 2016 door IceCube trok. Hoe groter de bol, hoe meer licht die zag; de rode bollen vingen eerder licht op dan de groen-blauwe. © IceCube

Kubieke kilometer meetinstrument

Neutrino’s ontstaan in ontstellende aantallen bij de kernreacties in de zon, maar ook op extreme plekken in het heelal zoals rond superzware zwarte gaten of in supernova-explosies. In de tien seconden die je al aan dit verhaal zit, zijn er zo’n biljoen neutrino’s door je ogen geflitst. Daar heb je niks van gemerkt, want neutrino’s reageren nauwelijks op normale materie.

Om toch neutrino’s te kunnen meten, bouwen astrofysici immense detectoren zoals IceCube. Dit observatorium op Antarctica bestaat uit meer dan van vijfduizend detectoren die kilometers onder de Zuidpool een kubieke kilometer ijs afspeuren naar de lichtflitsen van inslaande neutrino’s. Als je zo’n enorm gebied in de gaten houdt, registreer je toch een deel van de langsvliegende neutrino’s.

Favoriete energie

Wat was er zo speciaal aan het neutrino Hydrangea uit 2016? Niet alleen de recordenergie, denkt De Wasseige: volgens haar onderzoeksteam is hier voor het eerst een deeltjesproces gezien dat al 60 jaar geleden was voorspeld. In de deeltjesfysica blijken deeltjes extra makkelijk te botsen als de botsingsenergie precies genoeg is om een derde deeltje te produceren. Zo voorspelde deeltjesfysicus Sheldon Glashow dat extreem harde botsingen van elektronen en neutrino’s genoeg zijn om een zwaar W-boson uit het niets te toveren, het boodschapperdeeltje van de zwakke kernkracht.

De Wasseige: “Om precies te zijn hebben we de botsing gezien van een antineutrino (in de natuurkunde bestaat er van elk soort elementair deeltje een antideeltje, red.) dat op een elektron in het ijs botste. Omdat de energie precies goed was voor de Glashow-resonantie, was de kans op de botsing met normale materie ineens driehonderd keer zo groot.” Handig, want neutrino’s met hoge energie zijn zeldzaam, legt De Wasseige uit. “Via de Glashow-resonantie kunnen we in dezelfde meettijd veel meer van die zeldzaam snelle neutrino’s spotten.”

“Extra interessant is dat deze resonantie alleen werkt met antineutrino’s. Normaliter ziet IceCube het verschil niet, maar omdat dit proces alleen met antineutrino’s werkt, kunnen we zo mooi schatten hoeveel die voorkomen in de kosmische straling.”

Dat de Glashow-resonantie nu pas is gevonden door het heelal in te turen, komt doordat aardse deeltjesversnellers in de verste verte niet genoeg energie hebben om het proces op te wekken. De benodigde energie is 6,3 peta-elektronvolt, wel duizend keer zoveel als de mega-deeltjesversneller LHC bij Genève haalt.

“Dat is een voordeel van astrodeeltjesfysica”, denkt De Wasseige: “We laten natuurlijke deeltjesversnellers in het heelal het werk doen, bijvoorbeeld de enorme zwaartekracht rond superzware zwarte gaten, en dan hoeven wij alleen nog maar de deeltjes te vangen.”

neutrino Glashow
Cartoon van de lange reis die het Glashow-neutrino af moest leggen van een superzwaar zwart gat in een ver sterrenstelsel naar de IceCube-detector op de Zuidpool. Bron: IceCube.

Meetgegevens doorploegen

Neutrino’s uit het heelal mogen gratis zijn, uiteindelijk betaal je er toch voor. In het geval van IceCube doordat die in vergelijking met de tot aan de tanden gewapende LHC maar een paar deeltjesdetectoren heeft. Dat verklaart waarom De Wasseige en haar collega’s vijf jaar nodig hadden om uit te spitten wat voor deeltjesprocessen er allemaal speelden tijdens de neutrino-inslag in 2016.

“Kwam dit neutrino echt uit het diepe heelal en niet uit een botsing van kosmische straling op de atmosfeer? Passen de lichtsporen die we zien echt bij de Glashow-resonantie of ook bij een botsing met een proton? We moesten onze meetgegevens doorploegen om allerlei van zulke alternatieven uit te kunnen sluiten. En nog steeds hebben we niet de nauwkeurigheid die je nodig hebt voor het onbetwistbare bewijs in de deeltjesfysica, maar het is wel heel aannemelijk. “

Nieuw venster op het heelal

Ook met die slag om de arm denken de IceCube-onderzoekers dat hun vondst een nieuwe bron van informatie over het heelal ontsluit. “Neutrino’s reizen supermakkelijk door andere materie heen, dus ze kunnen zonder storing van ver komen. De hoogenergetische deeltjes geven informatie die je niet uit zichtbaar licht, radiogolven of gammastraling haalt, en al die bronnen vullen elkaar aan.”

“Als we meer Glashow-neutrino’s kunnen vangen, bijvoorbeeld met de volgende generatie van neutrinodetectoren zoals KM3NeT in de Middellandse Zee, kunnen we echt achterhalen waar die razendsnelle deeltjes ontstaan.”

Bronnen: Nature, Universiteit van Wisconsin

Foto bovenaan: Het IceCube laboratorium op de Zuidpool. In dit gebouw staan de computerservers die de meetgegevens opnemen; de echte detector bestaat uit 5000 lichtgevoelige bollen verspreid door een kubieke kilometer ondergronds ijs. © John Hardin / IceCube / NSF

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

Nieuwste editie

Met onder andere: Vliegende auto's - Leven na corona - Naaldloze injecties