Zijn deeltjes die door het ijs op Antarctica schieten te meten met een soort radar? De resultaten van een experiment in een Amerikaans lab bieden goede hoop.

Op de zuidpool is de jacht op neutrino’s al een tijdje geopend. Zo is er het experiment IceCube, dat een kubieke kilometer aan ijs monitort op signalen van deze deeltjes. Ook speurt de ballon ANITA ernaar, vanaf een hoogte van 37 kilometer. Toch werken fysici hard aan nóg een methode, waarbij radiogolven op het ijs worden afgevuurd. Die zou namelijk neutrino’s kunnen meten die bij zowel IceCube als ANITA grotendeels buiten de boot vallen.

Nieuwe natuurkunde

Neutrino’s zijn vrijwel massaloze deeltjes die ongehinderd door het poolijs schieten. IceCube is vooral goed in staat om neutrino’s te detecteren met energieën onder de 10 biljard elektronvolt (10 peta-elektronvolt of PeV), terwijl experimenten als ANITA met name gevoelig zijn voor neutrino’s met energieën boven 100 PeV. Neutrino’s met energieën tussen 10 en 100 PeV ontsnappen daardoor op het moment grotendeels aan onze aandacht.

Op de schouders
LEES OOK
Op de schouders

En dat is jammer, schrijven natuurkundige Krijn de Vries (Vrije Universiteit Brussel) en collega’s in een artikel dat verschijnt in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters. Dit soort neutrino’s kunnen ons namelijk meer vertellen over astronomische verschijnselen die kosmische straling met extreem hoge energieën op de aarde af sturen. Bovendien, zo stellen de fysici, kunnen botsingen tussen deze neutrino’s en atoomkernen nieuwe natuurkunde aan het licht brengen.

Doelwit van plastic

Maar dan moeten we ze wel eerst waarnemen. Zo’n waarneming draait niet om de deeltjes zelf, maar om een hele sproeier aan deeltjes die ze in hun kielzog achterlaten als ze door het ijs schieten en daar een wisselwerking mee hebben. Zulke deeltjes produceren zowel zichtbaar licht als radiostraling; IceCube richt zich op het zichtbare licht, ANITA op de radiostraling.

Je kunt echter ook radiostraling afvuren op het ijs. Een passerend neutrino dat interactie heeft met het ijs maakt namelijk elektronen los van hun atomen. Geef je die elektronen vervolgens een tik met een radiogolf, dan gaan ze trillen en geven ze zelf ook weer radiogolven af – die je vervolgens kunt meten.

Eerder lukte het niet om dat proces ‘in het wild’ te gebruiken. Daarom weken De Vries en collega’s uit naar het lab – het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië. Daar gebruikten ze een elektronenstraal om in een doelwit van plastic een deeltjessproeier te maken. Terwijl één antenne radiostraling afvuurde op het doelwit, hielden andere antennes het in de gaten. En inderdaad slaagden die erin de deeltjessproeier waar te nemen.

Krachtigere radargolf

De vraag is in hoeverre de onderzochte deeltjessproeier overeenkomt met the real thing. ‘De karakteristieken van deze elektronensproeiers in het plastic zijn heel vergelijkbaar met de deeltjessproeiers die neutrino’s in ijs genereren’, zegt natuurkundige Nick van Eijndhoven van de Vrije Universiteit Brussel, ook betrokken bij de studie. ‘Daardoor durven we erop te vertrouwen dat we op deze manier ook neutrinosproeiers kunnen detecteren.’

Een verschil met de werkelijkheid is wel dat de elektronenbundel een neutrino simuleerde met een energie van 10.000 PeV – honderd tot duizend keer zo hoog als de energie van de neutrino’s waar het eigenlijk om gaat. ‘Met onze testbundel hebben we aangetoond dat het principe werkt’, zegt Van Eijndhoven. ‘Een sproeier van een neutrino met een energie tussen 10 en 100 PeV zal inderdaad anders zijn, maar op basis van simulaties denken we dat we die toch kunnen detecteren, door een krachtigere radargolf het ijs in te sturen.’

Redelijk bedrag

Natuurkundige Aart Heijboer van het Nederlandse deeltjesinstituut Nikhef, betrokken bij de neutrinotelescopen ANTARES en KM3NeT, is er zeker voorstander van dat de techniek wordt bestudeerd. ‘Neutrino’s zijn zó interessant en zó lastig te meten, dat alle mogelijke manieren om ze te detecteren moeten worden onderzocht’, zegt hij.

Volgens Heijboer is echter nog niet zeker of de voorgestelde radarmethode daadwerkelijk de beste manier is om neutrino’s met energieën tussen 10 en 100 PeV te meten. ‘Het is ook weer niet zo dat een detector als IceCube of KM3NeT helemáál niet gevoelig is voor dit soort deeltjes. De echte vraag is of je met deze techniek voor een redelijk bedrag een detector kunt bouwen die een groter volume bekijkt – en dus meer neutrino’s gaat zien – dan andere detectoren.’

Opstapje

Volgend jaar, stelt Van Eijndhoven, moet er een opstelling op Antarctica komen die kosmische straling meet – protonen en zwaardere atoomkernen uit het heelal – in plaats van sproeiers die gemaakt zijn met een elektronenbundel. ‘Zo hopen we te laten zien dat het principe ook werkt in een natuurlijke omgeving’, zegt hij.

Dat experiment zou een opstapje moeten vormen naar een detector die daadwerkelijk neutrinosproeiers kan meten. Die vormt dan hopelijk een mooie aanvulling op de IceCube’s en ANITA’s van deze wereld.