Wetenschapsforum

Een telescoop onderdompelen in water lijkt een tamelijk dwaas idee, maar toch zal dit binnen enkele jaren gerealiseerd worden.
 
Neutrino's
Neutrino's zijn fundamentele deeltjes met een extreem geringe massa, die bijna met de lichtsnelheid vrijwel ongehinderd door het heelal suizen. De Zon is een bekende bron van neutrino's. Die lanceert fantastische aantallen het heelal in. Per seconde schieten hier op Aarde ongeveer 65 miljard neutrino's door een oppervlak zo groot als een duimnagel. Neutrino's (neutraaltjes) hebben geen elektrische lading en kennen dus geen interactie met de elektromagnetische kracht, maar die interactie ontbreekt ook voor de sterke kracht. Alleen de zwaartekracht die op sub atomaire schaal extreem zwak is en de zwakke kernkracht die een zeer gering bereik, ongeveer 10^-17m, heeft kunnen neutrino's beïnvloeden. 
 
Daarin ligt de reden waarom neutrino's nauwelijks worden gehinderd door materie, en elektromagnetische velden. Er is berekend dat een blok lood ter grootte van een lichtjaar (bijna 10.000 miljard kilometer) nog niet de helft van de er doorheen geschoten neutrino's zal kunnen tegenhouden.
 
Deze eigenschap van neutrino's maakt ze extreem lastig te detecteren maar tegelijk zeer interessant voor een nieuwe tak van astronomie die nu nog echt in de kinderschoenen staat, de neutrino astronomie. Naast de Zon is er tot nu toe slechts één andere bron van neutrino's vastgesteld, supernova SN1987a. De explosie van een ster in de Tarantulanevel werd door drie neutrinodetectoren op Aarde waargenomen. De neutrino's kwamen ongeveer 3 uur voordat de explosie in zichtbaar licht kon worden waargenomen, met biljoenen tegelijk op Aarde aan. Er werden er in totaal slecht 24 gedetecteerd door die drie detectoren. Het is vrijwel zeker dat het heelal tal van objecten kent die copieuze hoeveelheden neutrino's uitzenden, en de studie daarvan biedt mogelijk een kans om te 'zien' wat niet gezien kan worden:
 
Elektromagnetische straling (o.a. zichtbaar licht) wordt gehinderd door stof en gaswolken, door materie en magnetische velden en dat levert een flink aantal beperkingen op m.b.t. de zichtbaarheid van objecten die achter grote gas/stofwolken verscholen liggen, zoals bijvoorbeeld de kern van ons melkwegstelsel. Ook de kosmische achtergrondstraling, de 'muur' van achtergrondlicht die een overblijfsel is van de oerknal, verhindert ons verder terug te kijken in het heelal dan ongeveer 380.000 na de oerknal. Neutrino's kennen die beperking niet, die schieten door stof- en lichtmuren, sterke elektromagnetische velden en sterren heen alsof ze niet bestaan. Indien wij een voldoende grote en nauwkeurige detector voor neutrino's hadden zou het mogelijk zijn om gebeurtenissen tot ongeveer 1 seconde na de oerknal (de zogenoemde kosmische neutrino achtergrond) waar te nemen.
 
Zoals kortgeleden de ontdekking van zwaartekrachtsgolven (zie ook dit topic) ons een mogelijkheid lijkt te gaan bieden om naast het 'kijken' naar het heelal er ook naar te 'luisteren', zo kan de neutrino-astronomie een derde en belangrijke observatiemethode ('zintuig') worden.
 
KM3NeT
KM3NeT staat voor km³ Neutrino Telescope. Een nogal vreemde telescoop met een inhoud van ongeveer een kubieke kilometer, die 3,5 km diep in de Middellandse Zee, ten zuidoosten van Sicilië opgesteld zal gaan worden. Deze telescoop heeft geen lenzen maar lichtdetectoren, zogenoemde fotomultipliers (PMT's, klik). Deze buizen produceren bij een invallend foton een elektron, dat via een cascade telkens wordt versneld waardoor er per trap van de cascade steeds meer elektronen vrijkomen die uiteindelijk een voldoende sterk signaal opleveren.
  Een van de duizenden PMT's van de neutrinotelescoop. Bron: Nikhef, foto m.u.
 
Als er zo een extreem zeldzame botsing plaats vindt tussen een neutrino en een atoomkern komen er, afhankelijk van welke van de drie type's neutrino het betreft, deeltjes vrij. Bij een muon neutrino zijn dat muonen. Deze deeltjes kunnen sneller gaan dan het licht ter plekke (in zeewater is de lichtsnelheid ongeveer 3/4 van de absolute snelheid in vacuüm), en zenden daarom Cherenkovstraling (klik) uit. Deze straling is bekend als het blauwachtige licht dat ook in het water van kernreactoren gezien kan worden. Deze Cherenkovstraling wordt opgevangen door de PMT's.
 
Omdat botsingen tussen neutrino's en materie zo extreem zeldzaam zijn is er voor een bruikbare telescoop wel het een en ander nodig. Heel veel materie om mee te botsen (water is een mooi medium), een heel donkere omgeving om de zwakke flitsjes waar te kunnen nemen (op 3,5 km diepte is het vrijwel volmaakt donker), en een grote hoeveelheid slim opgestelde PMT's om voldoende detecties te kunnen doen en de richting van waar de neutrino's kwamen te kunnen bepalen.
 
KM3NeT zal uiteindelijk bestaan uit een groot aantal PMT's die met 31 stuks tegelijk in een glazen bol (DOM) worden geplaatst. Die bol moet bestand zijn tegen de hoge druk (zo'n 350 Bar) en bestaat als het ware uit twee  'Maagdenburger halve bollen' van dik glas die door de hoge druk diep in zee stevig op elkaar geperst blijven.
  Een complete DOM met 31 PMT's, en halve een DOM in opbouw met de lokale verwerkingseenheid. Klik voor grotere weergave. Bron: Nikhef, foto's: m.u.
 
Bij het Nikhef in Amsterdam, een van de partners in het Europese project, worden op dit moment een aantal DOM's gebouwd en getest. Nikhef Amsterdam, constructie DOM's. Klik voor grotere weergave. Foto's: m.u.
 
Op de zeebodem wordt een zwaar betonnen blok gezet met daaraan een verticale lijn van honderden meters lang waaraan op regelmatige afstanden deze bollen worden gemonteerd. Aan iedere lijn komen 18 DOM's, en er komen drie blokken met ieder 115 lijnen. In totaal ruim 6200 DOM's en dus ruim 192.000 PMT's.
 
Door de 3-d opstelling van de DOM's kan de richting van het inkomende neutrino worden bepaald, en zo de bron (een supernova bijvoorbeeld) worden vastgesteld. Omdat de zee natuurlijk stromingen kent, zullen de lijnen niet mooi verticaal blijven, en vervormt de 'telescoop'. Daarom heeft iedere DOM een piëzo element onderin, dat een 'ping' van een centraal baken opvangt. A.d.h.v. de aankomsttijdverschillen kan zo de positie van iedere DOM worden berekend.  
 
Iedere DOM verzamelt de sterkte en het tijdstip van de gedetecteerde flitsjes van iedere PMT en stuurt deze gegevens samen met onder andere de positie-informatie via een glasvezel naar verwerkingseenheden (een soort 'wijkcentrales') die op hun beurt alle data (naar schatting een terabit per seconde) naar een gemeenschappelijke vezel richting land (Sicilië) sturen. Nadien worden alle metingen verwerkt en geanalyseerd.
  Een lijn met DOM's, op de bodem een betonblok, bovenin een drijver die de kabel strak trekt. Bron: Bijlage.
Impressie van een van de drie blokken DOM's die tezamen KM3NeT zullen vormen. Bron: NikHef.
 
Gisteren werd de 'letter of intent' gepubliceerd, en is het groene licht gegeven voor de eerste fase die naar verwachting volgend jaar gereed zal zijn. De volledige telescoop zal naar verwachting als de financiering van ongeveer 120 miljoen euro rond komt in 2020 gereed zijn. Het Nikhef in Amsterdam (klik)  is een belangrijke partner in de ontwikkeling van KM3NeT.
 
Voor (heel veel) meer informatie bijgaand paper dat ik om technische redenen in twee stukken heb moeten splitsen: