Er zijn drie soorten neutrino’s: elektron-, muon- en tauneutrino’s. Dat zijn alle drie elementaire deeltjes met bijzondere eigenschappen. Ze hebben geen elektrische lading en hebben extreem weinig massa, waardoor zwaartekracht nauwelijks grip op ze heeft. Verder worden neutrino’s alleen onderworpen aan de zwakke kernkracht. En die kracht is – de naam zegt het al – zwak. Dat is de reden dat neutrino’s slechts heel af en toe interacties aangaan met andere materie. Als dat dan gebeurt, kunnen we de zogeheten secundaire deeltjes die bij zo’n interactie vrijkomen proberen te detecteren. Als dat lukt hebben we – indirect, maar toch – een neutrino gedetecteerd!
Nu blijkt dat de hoeveelheid neutrino’s die vanuit het heelal ‘neerregent’ op de aarde afhankelijk is van de energie van die neutrino’s. De regel is: hoe hoger de neutrino-energie, hoe minder neutrino’s. Hoogenergetische neutrino’s zijn dus zeldzaam. Maar als je het ongelooflijke geluk hebt dat er een langskomt, dan zijn ze niet te missen in een neutrinodetector zoals KM3NeT.
De KM3NeT-detector
De KM3NeT-detector staat op de bodem van de Middellandse Zee, 100 kilometer uit de kust van Sicilië. Daar zijn verticale lijnen met een lengte van 800 meter vastgemaakt aan ankers op de zeebodem. Aan die detectorlijnen hangen glazen bollen van 42 centimeter doorsnee. De hele detector bestaat uit tientallen lijnen en beslaat ongeveer een kubieke kilometer zeewater. In figuur 1 zie je zo’n glazen bol die vol zit met zogeheten fotobuizen. Dat zijn een soort omgekeerde gloeilampen; als er licht (fotonen) op valt, komt er een elektrisch stroompje uit dat gemeten kan worden.
Eigenlijk is KM3NeT dus een gigantische lichtdetector. Dat is ook de reden waarom hij op de bodem van de diepzee gebouwd is: het moet er donker zijn en het detectiemedium moet transparant zijn, zodat je licht kunt detecteren. Een laatste reden om zó diep in zee te bouwen is om de detector af te schermen van atmosferische muonen.
Stel nu dat een muonneutrino dicht bij de KM3NeT-detector botst met atomen in het zeewater. Dan zal daarbij een secundair geladen deeltje ontstaan. Dat is een muon, omdat het inkomende deeltje een muonneutrino is. Dat geladen deeltje reist door het zeewater met een snelheid die groter is dan de voortplantingssnelheid van licht in water. Door dit verschil in snelheid ontstaat er heel speciaal blauw licht, zogenoemde Tsjerenkovstraling.
Dat is precies het lichtsignaal waar de KM3NeT-detector naar speurt, zie figuur 2. KM3NeT reconstrueert de richting van het inkomende muon – en daarmee van het inkomende muonneutrino – door te kijken naar de richting van de Tsjerenkov-kegel. Daarnaast is het aantal fotonen dat wordt gedetecteerd een maat voor de hoeveelheid energie die het muon heeft, wat dan weer een maat is voor de hoeveelheid energie van het oorspronkelijke neutrino.
Het mooie van muonen is dat ze honderden meters door zeewater kunnen reizen en dus een lang, duidelijk te herkennen lichtspoor in de detector maken. Echter, als een elektronneutrino of een tauneutrino een interactie heeft met atomen in het zeewater, dan geeft het vrijgekomen secundaire deeltje, respectievelijk een elektron of een tau-deeltje, een ander signaal af in de detector. Deze deeltjes leven namelijk veel korter dan een muon en de vrijkomende Tsjerenkovstraling ziet er dan meer uit als een plaatselijke lichtexplosie die bolvormig uitdijt.
De waarneming van het hoogenergetische neutrino
Dan gaan we nu terug naar die februarinacht in 2023. Om 01:16:00 is er nog niks aan de hand, maar 47 seconden later, om 01:16:47 ziet de KM3NeT-detector, die dan uit 21 detectorlijnen bestaat, een gigantische hoeveelheid licht in de detector, zie figuur 3.
De reconstructiesoftware laat zien dat de waargenomen lichtverdeling overeenkomt met een Tsjerenkovkegel die door de hele detector trekt. Daarmee is vastgesteld dat het hier om een muon gaat, en niet om een elektron of tau-deeltje, die een andere (meer bolvormige) lichtpatroon zouden hebben gehad.
De gigantische hoeveelheid licht verraadt dat het muonneutrino extreem energetisch is. Sterker nog: niet eerder heeft de mensheid een fundamenteel deeltje geobserveerd met zoveel energie! De geschatte energie van dit neutrino is enkele tientallen malen hoger dan het vorige ‘hoogstenergetische’ neutrino dat ooit is waargenomen. De hoge energie van het muon sluit met grote zekerheid uit dat het hier om een atmosferisch muon gaat. Het muon moet dus een secundair deeltje zijn van een muonneutrino uit het verre heelal, dat puur toevallig een interactie aanging in het zeewater, ergens vóór de KM3NeT-detector.
Er is nog een andere aanwijzing dat het primaire deeltje hier een extreem hoogenergetisch kosmisch muonneutrino moet zijn. Je verwacht namelijk dat dit soort neutrino’s van de zijkant komen en dus horizontaal door de detector schieten. En kijk maar naar figuur 3: zelfs op het oog zie je dat het muon nagenoeg horizontaal door de detector trekt!
Waar komt 'ie vandaan?
Nu is de grote vraag: waar kwam dit kosmische muonneutrino vandaan? Waar en wanneer werd dit neutrino tot zulke ongekende energie versneld? Eén mogelijkheid is dat dit gebeurde in het centrum van een ver weg gelegen sterrenstelsel, waar een superzwaar zwart gat materie opslokt en daarbij met gigantische energie allerlei soorten straling en materie, zoals neutrino’s, het heelal in slingert. De huidige richtingsgevoeligheid van KM3NeT is echter nog niet goed genoeg om het neutrino één op één te verbinden met een bekende kosmische bron.
Vragen
Eerder zagen we de vuistregel: hoe hoger de neutrino-energie, hoe minder neutrino’s er zijn. De energie van dit neutrino is echter zó hoog, dat we eigenlijk verbaasd zijn dat we het überhaupt gedetecteerd hebben, zeker gezien de nog geringe grootte van de detector op het moment van detecteren. Verder werpt de waarneming ook de vraag op of er bij deze hoge energieën niet een nieuwe ‘bron’ van neutrino’s wordt aangeboord, de zogeheten kosmogene neutrino’s. Zo’n nieuwe bron zou het aantal neutrino’s dat je verwacht bij hoge energieën weer iets doen toenemen, wat de detectie van dit hoogenergetische neutrino dan iets minder onwaarschijnlijk maakt.
Er zijn dus nog vragen over, zoals altijd bij dit soort ontdekkingen. Dat maakt wetenschap - en natuurkunde in het bijzonder - zo fascinerend!
