Detector in aanbouw meet bij Sicilië het meest energierijke neutrino ooit

Op 13 februari 2023, iets na één uur ’s nachts, suisde een neutrino-deeltje met ongelooflijk hoge energie en vrijwel de lichtsnelheid vanuit het heelal op de aarde af. Hij vloog door de atmosfeer en 140 kilometer gesteente en zeewater. Tot hij waarschijnlijk ongeveer honderd kilometer uit de kust bij Sicilië op een atoomkern diep in de Middellandse Zee botste.

Daarbij ontstond een nieuw deeltje dat met vrijwel dezelfde snelheid en in dezelfde richting door het water schoot, als een gekaatste biljartbal. Daarbij trok het een spoor van blauw licht dat de KM3NeT neutrino-detector op de bodem van de zee waarnam. Dit deeltje bleek verreweg het meest energierijke neutrino dat ooit is waargenomen.



Het had waarschijnlijk een energie van 220 peta-elektronvolt (220 miljoen miljard elektronvolt); 10.000 keer meer dan deeltjes in de krachtigste deeltjesversneller op aarde. Het is ongeveer de energie van een pingpongbal die van een meter hoogte valt, samengebald in een deeltje met een fractie van de massa van een elektron.

„Hij was echt off the scale ”, zegt Aart Heijboer, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, Nikhef-onderzoeker en destijds KM3NeT fysica- en softwaremanager. Het deeltje levert het eerste bewijs dat neutrino’s met zulke hoge energieën geproduceerd kunnen worden in het heelal. De resultaten verschenen woensdag in het wetenschappelijke blad Nature .

Neutrino’s zijn superlichte, ladingsloze deeltjes. Ze ontstaan bijvoorbeeld bij reacties in kernreactoren op aarde of in de zon, of wanneer kosmische straling op de atmosfeer botst. Zogeheten kosmische neutrino’s – die herkenbaar zijn aan hun hoge energie – ontstaan waarschijnlijk bij spectaculaire gebeurtenissen in het heelal, zoals sterexplosies of de turbulente omgeving van zwarte gaten.

Doordat neutrino’s met bijna de lichtsnelheid en onverstoord in een rechte lijn reizen, kunnen ze iets vertellen over die spectaculaire astrofysische verschijnselen waarbij ze ontstaan. Neutrino’s bieden zo een nieuw venster op het heelal. Maar daarvoor moet je ze wel kunnen waarnemen.

Dat is lastig omdat neutrino’s zelfs ongehinderd door de aarde vliegen. Gelukkig voor astrofysici botsen ze heel af en toe tóch op een atoom. Hoe meer atomen, hoe groter de kans op een botsing.

Daarom bouwen fysici hun zogeheten neutrino-telescopen op plekken met veel atomen en weinig verstoringen, zoals diep onder water. Daarin laten geladen deeltjes die ontstaan bij neutrinobotsingen bovendien een meetbaar lichtspoor achter. De KM3NeT-detector (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) bestaat daarom uit lijnen met daaraan lichtdetectorbollen, die op enkele kilometers diepte op de zeebodem meedeinen op de diepzeestroming.

De telescoop is verdeeld over twee locaties: een bij de kust van Sicilië en een bij de Franse kust. Het ultra-energieke neutrino werd bij Sicilië waargenomen. Een opmerkelijk detail is dat de KM3NeT-detector nog in aanbouw is.

„Tijdens deze waarneming was het deel bij Sicilië voor een tiende voltooid”, vertelt Dorothea Samtleben, programmaleider van de Nikhef-neutrinogroep en verbonden aan de Universiteit Leiden. Het Amsterdamse onderzoeksinstituut Nikhef speelt een belangrijke rol bij KM3NeT. De detectorbollen zijn er ontworpen en een groot deel ervan wordt in Amsterdam gebouwd.

Samtleben: „Het mooie is dat we met een paar lijnen al neutrino’s kunnen waarnemen.” Toch was het ultra-energierijke neutrino een enorme verrassing, vertelt Heijboer. „De detector ziet dagelijks een paar neutrino’s.

Maar die hebben veel minder energie en zijn vaak ontstaan in de atmosfeer.” Deze knaller werd ook pas ontdekt toen de onderzoekers na een jaar de waarnemingen gingen analyseren. „Zelfs toen duurde het even voordat het tot ons doordrong.

Ik had niet verwacht dat we nu al een deeltje zouden waarnemen dat in z’n eentje een wetenschappelijke publicatie waard is.” Door de hoge energie weten de onderzoekers zeker dat het een kosmisch neutrino is. Maar hoe en waar hij ontstaan is, is lastiger.

Een mogelijke bron is de turbulente omgeving van een superzwaar zwart gat. „We zien dat daar enorme sproeiers van deeltjes de ruimte in gespoten worden”, vertelt Heijboer. Daarin kunnen atoomkernen versneld worden en op andere deeltjes botsen.

Dat kan dergelijke energierijke neutrino’s opleveren. Een andere mogelijkheid is dat versnelde atoomkernen, bijvoorbeeld uit die sproeiers, botsen met de kosmische achtergrondstraling – de alom aanwezige nagloed van de oerknal. „We verwachten dat daarbij zogeheten kosmogene neutrino’s ontstaan met ongeveer de energie die we nu gemeten hebben”, zegt Heijboer.

„Dit zou dus het eerste waargenomen kosmogene neutrino kunnen zijn.” De onderzoekers hebben geprobeerd de bron te achterhalen door te kijken uit welke richting het neutrino kwam. Ze vonden meerdere mogelijke superzware zwarte gaten buiten ons Melkwegstelsel.

„Onze resolutie is nog niet goed genoeg om een daarvan als meest waarschijnlijke aan te wijzen”, vertelt Samtleben. Er is nog hoop. „Als we de oriëntatie van onze detector beter weten, dan kunnen we met terugwerkende kracht de resolutie verbeteren.

Maar omdat het maar één neutrino was, zullen we nooit helemaal zeker zijn van de bron.” Desondanks laat Pedro Machado, van het Amerikaanse deeltjesfysicacentrum Fermilab, namens zijn niet-betrokken onderzoeksgroep weten dat ze het „een overtuigende waarneming” vinden en enthousiast zijn. „Dit is een ongelooflijke start voor KM3NeT en we zijn er zeker van dat we in de toekomst nog meer spannende resultaten van hen zullen zien!”, mailt hij.

De verwachting is dat de KM3NeT-detector voor het eind van het decennium afgebouwd is en dan meer ultra-energierijke neutrino’s zal waarnemen en hun richting beter kan bepalen. Ook kan er dan in samenwerking met andere telescopen astronomische onderzoek gedaan worden. Samtleben: „Dan kunnen we verschillende manieren van naar de hemel kijken samenvoegen om vragen over kosmische verschijnselen te beantwoorden.

”.