Icon up Overzicht

Diepzeetelescoop kijkt naar neutrino's uit heelal

Onderwerp: Astrofysica, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica

 

Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research

Op het Nikhef in Amsterdam wordt gewerkt aan een heel bijzondere telescoop: een instrument op de bodem van de Middellandse Zee dat uitkijkt naar neutrino's uit verre streken. Ontstaan in de diepten van het heelal leggen ze een onvoorstelbaar grote afstand af, ongevoelig voor de aantrekkingskracht van sterrenstelsels, sterke magneetvelden of andere kosmische hindernissen. Neutrino's die met een ongelooflijk hoge energie, dwars door onze aarde reizen en dan ingewikkelde kegels van licht veroorzaken in het water op 2400 meter diepte. In het Antaresproject werkt een groot aantal Europese universiteiten en onderzoekscentra samen om met deze spectaculaire telescoop deze lichtpatronen te meten en te analyseren en zo de geheimen van het heelal te ontsluieren.

Mieke Bouwhuis van het Nikhef ontwerpt een belangrijk onderdeel van deze telescoop: een stukje software om het gewenste signaal te kunnen scheiden van allerlei storende bronnen. Die storende bronnen zijn bijvoorbeeld: licht veroorzaakt door andere kosmische straling dan de neutrino's, flitsen afkomstig van het radioactief verval van Kalium, maar ook het irritante geknipper van lichtgevende bacteriën en garnalen. Hieronder volgt een interview met deze onderzoekster.

Mieke Bouwhuis

Geheimen van het Heelal?

Een aantal actuele problemen in de sterrenkunde zijn misschien op te lossen met het onderzoek van pulsars. Stel je voor: razendsnel roterende restanten van sterren, zwaarder dan de zon, samengeperst tot een bol van 20 kilometer diameter die een paar honderd maal per seconde om hun as draaien. Ze zenden als een kosmische vuurtoren twee intense bundels straling uit, die wij op aarde waarnemen als een stralingsbron die tot wel 30 keer per seconde aan- en uitflitst. Tegelijkertijd ontstaat er ook een groot aantal neutrino's......

Als je meer wilt weten over de gebeurtenissen in de Krabnevel, dan kun je deze link volgen.

Een opname van de centrale pulsar in de Krabnevel. Credit: NASA/HST/ASU/J.Hester et al.

Ook het vraagstuk van de "zwarte materie" kan misschien opgelost worden. Het lijkt erop dat het heelal zich op dit moment nog steeds verder uitbreidt. Dat kunnen we meten door de beweging van ver weg gelegen sterren en sterrenstelsels te onderzoeken: ze bewegen zich bijna allemaal van ons vandaan. Vraag is natuurlijk: is er voldoende massa in het heelal om die uitbreiding te stoppen en het heelal opnieuw te laten krimpen? Het antwoord is te vinden in een schatting van de massa in het heelal. Maar die schatting wordt moeilijk als je niet alle massa kunt meten: de "dark matter" is tot nu toe niet direct waargenomen. Neutrino's kunnen misschien verraden waar die materie zich bevindt.

Er worden door instrumenten op aarde en in satellieten ook heel sterke flitsen gammastraling waargenomen. Ze ontstaan bij kosmische klappen van wel 1045 J ! Ter vergelijking: het huidige wereld- energiegebruik is maar 400 EJ. Eén flits van zo'n Gamma Ray Burst bron en er rest slechts een zwak nagloeien. Maar ook hier komen weer grote hoeveelheden neutrino's vrij, die kunnen vertellen wat er nu precies is gebeurd.

Een sterrenkaart met daarop een van de gammaflitsers. Credit: NASA.

Meer informatie vind je op deze Amerikaanse website: Imagine the Universe.

Waarom meten jullie aan neutrino's?

Neutrino's ontstaan bijvoorbeeld in een pulsar of in de resten van een met veel geweld uiteengespatte supernova. Als protonen versneld worden tot een uiterst hoge energie, meer dan 1020 eV en daarna botsen of interactie hebben met fotonen of andere protonen. Dat proces veroorzaakt een flinke hoeveelheid pionen die zelf instabiel zijn. Bij het verval ontstaan vervolgens gammastraling en neutrino's met opnieuw een hoge energie, tot wel duizenden GeV aan toe.

Als we dus we meer willen weten van de bronnen, moeten we zoeken naar straling of deeltjes die ongehinderd de aarde kunnen bereiken. Deeltjes waarvan we zeker weten dat ze niet afkomstig zijn van bronnen die dichterbij liggen, zoals de zon, en die niet beïnvloed kunnen worden door sterke magneet- of zwaartekrachtvelden.

Daarom zijn veel kosmische deeltjes onbruikbaar: elektronen of protonen vanwege hun massa en lading en omdat ze in grote aantallen voorkomen in zonne- of sterrenwind. De sterrenkundigen hebben al duizenden jaren gebruik gemaakt van licht, fotonen dus, om het heelal te verkennen. Maar fotonen worden geabsorbeerd in de stofwolken in het heelal of worden onbetrouwbaar, omdat ze bij deze hoge energieën interferentie kunnen vertonen met de al aanwezige achtergrondstraling; er ontstaan dan elektronen en positronen.

Volg de neutrino's op hun reis door het heelal van bron tot detector.

De telescoop waarmee we de neutrino's willen meten, moet ook goed afgeschermd zijn van ongewenste signalen. Wat is er dan beter dan: aan de ene kant 2400 meter water en aan de andere kant een hele aarde!

We kunnen trouwens de neutrino's niet direct meten. Als een neutrino dwars door de aarde is gevlogen en net onder de zeebodem van het Antaresproject een interactie aangaat met een aardse atoomkern, kan er een muon ontstaan dat met grote snelheid door het zeewater bij onze detectoren vliegt. De straling die door dat muon veroorzaakt wordt, kunnen we wél waarnemen in de vorm van lichtflitsen.

Als je meer wilt weten over het meetsysteem, dan kun je deze link volgen.

Wat zijn neutrino's eigenlijk?

Kortweg: neutrino's zijn neutrale deeltjes met een massa die vrijwel nul is. Ze worden dan ook niet beïnvloed door de zwaartekracht van sterren of grote planeten, niet door de Lorentz-kracht die geladen deeltjes afbuigt in een magneetveld en niet door elektrische krachten. Daarom vliegen ze ongehinderd dwars door de meeste objecten in het heelal. Ook door jou vliegen er op dit moment miljarden neutrino's zonder iets te raken, we noemen dit ook wel: zonder enige interactie!

Voordeel is dan natuurlijk dat je het spoor van de neutrino's terug kunt volgen naar hun bron. Nadeel is dat ze heel moeilijk te detecteren zijn, ook een meetinstrument heeft maar moeilijk interactie met dit spookdeeltje!

Als je meer wilt weten over dit bijzondere deeltje, dan kun je deze link volgen.

En de Antares "telescoop"?

De telescoop uit dit project is natuurlijk geen gewone sterrenkijker. Hij bestaat uit een aantal onderdelen met elk hun eigen taak: het waarnemen, het verwerken en filteren van de meetgegevens en de opslag in een digitale databank.

De drijvers houden een aantal meetlijnen rechtop in het water; aan elke lijn zitten de instrumenten goed opgeborgen in een titaniumcontainer of in een sterke glazen ballon. De waterdruk op 2400 m is niet bepaald gering: elke 10 meter neemt de druk met één atmosfeer toe!

Een overzicht van de Antareslocatie in La Seyne sur Mer. Beweeg je muis in de afbeelding over de teksten bij de onderdelen.

De glazen bollen zijn voorzien van Photo Multiplier Tubes (fotomultiplicator buizen) kortweg PMT's. Deze versterken de zwakke lichtflitsen die de onderzoekers willen meten en geven het elektrische signaal door aan de elektronica in de stalen huls.

Vandaar wordt het signaal door een glasvezelkabel naar het koppelstation gebracht. Deze kabel verzorgt ook de 5kV voedingsspanning voor de elektronica en de detectoren. Er is maar één leiding naar de detectoren toe, want de middellandse zee is zelf de retourleiding. De weerstand van het zoute water is natuurlijk laag genoeg.

Als je meer wilt weten over de PMT's, dan kun je deze link volgen.

Een mooi staaltje Low Tech: het signaal van een oscilloscoop in het koppelstation wordt opgenomen met een webcam en op het internet gezet. In alle labs van de deelnemende landen is dit signaal te controleren.

En wat was jouw aandeel in dit bijzondere project?

Mieke: Het koppelstation stuurt het meetsignaal verder naar het prachtige kuststation "Michel Pacha", waar de gegevens razendsnel bewerkt worden met een cluster van 100 computers. Per seconde wordt hier wel 1 GB aan gegevens verzameld en bewerkt door een programma. Er wordt dan gefilterd op de natuurkundig belangrijke gegevens en die worden weggeschreven naar een harde schijf; je kunt namelijk gewoonweg niet zoveel data direct opslaan. Als er een bijzondere gebeurtenis plaatsvindt, waarbij veel neutrino's verwacht worden, gaan de gegevens van een paar minuten wél direct naar een harde schijf. Ook die beslissing wordt genomen door mijn programma.

Uitzicht over de middellandse zee, niet gek voor een natuurkundig lab, nietwaar?

Omdat er veel "ruis" in het signaal aanwezig is, afkomstig van lichtgevende garnaaltjes tot radioactief verval van Kalium 40, moeten er dus speciale maatregelen genomen worden om de ruwe gegevens te filteren, voordat ze geanalyseerd kunnen worden. Ook vanuit de atmosfeer komen er veel muonen het zeewater in en veroorzaken op hun beurt ongewenste lichtsignalen. Het ontwerpen van het softwarefilter om met al deze factoren rekening te kunnen houden, en dat op precies het goede moment (na een signaal van het GCN), was míjn bijdrage.

We krijgen namelijk een signaal als er ergens in het heelal een Gamma Ray Burst gesignaleerd wordt van een ring van satellieten die rond de aarde draaien, het Gamma Ray Burst Coordinates Network (GCN). We weten dan dat onze neutrinometingen van die periode gericht geanalyseerd kunnen worden. We geven dan opdracht aan de computerfarm om minstens 100 GB uit het geheugen helemaal weg te schrijven naar de harde schijf. Dat is trouwens wel evenveel informatie als de tekst van een 2000 m hoge stapel A4 tjes! Daarna bepaalt mijn programma uit deze gegevens het spoor van het muon.

Een schema: het datafilter stuurt normaal een natuurkundige interpretatie van de detectorgegevens naar de onderste disk. Als je de richting van de muonen die de straling veroorzaken kent, moet het filter omgeschakeld worden. Zo kunnen, na een "alert" van de GCN satellieten, álle gegevens direct naar de rechterdisk worden geschreven. De software kan met de richtinginformatie het spoor beter analyseren.

Hoe raakte jij zelf betrokken bij dit bijzondere onderzoek?

Op mijn middelbare school werd ik enthousiast gemaakt door mijn lerares scheikunde, en ik ben dan ook chemie gaan studeren aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. Omdat ik meer diepgang wilde in mijn studie is het later fysische chemie geworden. Na een stage bij de VU ben ik in de ICT terecht gekomen en gaan programmeren. Het IT werk vond ik uiteindelijk toch niet uitdagend genoeg en zo kwam ik terecht op het Nikhef, waar ik nu bezig ben met een promotieonderzoek in het Antaresproject. Dat is een geweldige ervaring. Veel afwisseling, interessante fysica en er zijn onderzoekers die een weekje in het Michel Pacha instituut aan de kust van de Middellandse-Zee ook niet erg vinden!

Mieke Bouwhuis

Copyright photographs and applets © 2003 Rob Ouwerkerk. All Rights Reserved.

Bronnen:

  • Interview Mieke Bouwhuis
  • Mieke Bouwhuis: paper for the 28th International Cosmic Ray Conference
  • THESE DE DOCTORAT, Spécialité : Physique des Particules, Physique Mathématique et Modélisation Fabrice HUBAUT (CPPM)
  • http://antares.in2p3.fr.