Succes voor onderzees meetnetwerk

Een diepzee-detector van deels Nederlandse makelij heeft een dwars door de aarde schietend elementair deeltje gemeten. Dit soort resultaten moet uiteindelijk leiden tot nieuwe inzichten over extreme objecten of gebeurtenissen in het heelal.

Het is bijna niet voor te stellen: op de zeebodem, een kilometer of tachtig uit de kust van Sicilië, staat een woud van zevenhonderd meter lange verticale kabels rechtop in het water. Aan deze kabels zijn op regelmatige afstand van elkaar vijftig centimeter grote glazen bollen bevestigd, die met elkaar een driedimensionaal meetnetwerk vormen. De kabels blijven op hun plek door een verankering in de zeebodem, en een grote boei bovenaan.

Deze drijvende glazen bollen, deels ontwikkeld door wetenschappers en technici van Nikhef in Amsterdam, vormen samen de ARCA-detector van de toekomstige cubic kilometre neutrino telescope (KM3NeT). Dat wordt, zoals de naam al doet vermoeden, een meetinstrument van minimaal ongeveer 1 x 1 x 1 kilometer groot.

Vrijwel geen interactie

Deze ‘telescoop’ is ontworpen om neutrino’s te detecteren die vanuit de ruimte dwars door onze planeet heen gaan. Neutrino’s zijn elementaire deeltjes die geen lading hebben, nauwelijks massa en daardoor vrijwel geen interactie met andere materie. Daarom gaan ze overal dwars doorheen. En dat ook nog met de lichtsnelheid.

Hoogste energie ooit

Nu is ARCA nog niet helemaal afgebouwd, maar toch doet hij al bijzondere waarnemingen, maakten de betrokken wetenschappers vandaag bekend. Zo detecteerde ARCA twee jaar geleden een neutrino met de hoogste energie ooit: 220 peta-elektronvolt, oftewel 220 miljoen miljard elektronvolt. Details hierover beschrijven de betrokken wetenschappers in een woensdag verschenen artikel (gratis te lezen) in het bekende tijdschrift Nature.

Nieuwe inzichten voor astrofysici

Zo’n hoogenergetisch neutrino kan het resultaat zijn van bijvoorbeeld een supernova, of van uitbarstingen van gammastralen. Door interactie van stromen deeltjes kunnen neutrino’s ontstaan. Het bestuderen van de energie en de richting van neutrino’s kan astrofysici dus nieuwe inzichten geven.

Enorme berg data

Waarom komt een meting van twee jaar terug pas nu naar buiten? Dat heeft, los van het review-proces van het tijdschrift Nature, te maken met het analyseren van de meetdata: dat duurt enorm lang. ‘De ruwe data die we krijgen van de ARCA-detector stapelt zich op tot een enorme berg’, vertelt Edward Berbee van Nikhef aan de telefoon. Hij was lange tijd verantwoordelijk voor het mechanische ontwerp van de detector. Eerst moet elke detector worden gekalibreerd – voor zijn bewegingen veroorzaakt door de zeestroming – en pas dan volgt de eigenlijke analyse van de data. ‘Dat laatste moeten we natuurlijk automatiseren. Daar worden we gelukkig steeds beter in.’

Cherenkov-licht

De glazen bollen die te zien zijn op de foto hieronder heten officieel digital optical modules (DOM’s). In zo’n bol zitten 31 PMT’s, photo-multiplier tubes, extreem gevoelige detectoren voor licht. Het idee is dat een voorbijrazend neutrino hier en daar een interactie aangaat met zeewater. Dit levert Cherenkov-licht op, blauw licht dat te detecteren valt.

De genoemde vacuümbuizen zijn zó gevoelig, dat ze zelfs een enkel foton kunnen detecteren. ‘Ook vanwege de gevraagde extreme gevoeligheid bevindt de hele detector zich op de zeebodem, op een diepte van 3.450 meter’, zegt Berbee. ‘Dit is zo diep, dat hier geen enkel daglicht meer doordringt dat de metingen zou kunnen verstoren.’

Exacte tijdmeting

Wanneer een neutrino met bijna de lichtsnelheid door de zee bij Sicilië schiet, meten meerdere bollen kort na elkaar een lichtsignaal. ‘Daar zitten maar een paar microseconden tussen’, aldus Berbee. Des te belangrijker dus dat alle meetbollen van exact dezelfde tijdmeting gebruikmaken. Daarvoor gebruiken ze een systeem, White Rabbit, dat zorgt voor synchronisatie met minder dan een nanoseconde afwijking.

Technologische bijvangst

Hoewel fysici en andere fans van elementaire deeltjes misschien enthousiast worden van het neutrino-nieuws, is het ook goed voorstelbaar dat anderen zich zullen afvragen ‘wat de maatschappij eraan heeft’. Maar er zijn meerdere voorbeelden van technologische bijvangst van het neutrino-onderzoek, vertelt Berbee.

Vloeibaar glas

Het eerste is de manier waarop meetsignaal en voeding tot in de glazen meetbollen worden doorgevoerd. Aan deze doorvoeren worden hoge eisen gesteld, omdat ze worden blootgesteld aan een indrukwekkende waterdruk van 350 bar. Gebeurde het afdichten voorheen met een gietsel van epoxyhars, tegenwoordig gebruiken de producenten van deze doorvoeren een methode die is bedacht door een Brits bedrijf, vertelt Berbee. ‘Zij hebben een methode bedacht met vloeibaar glas om glasvezels en stroomdraden waterdicht in de bollen te leiden. Omdat de oude afdichtingen regelmatig lek raakten wilden wij hun nieuwe aanpak eerst testen. Maar onze afdichtingen lekken eigenlijk nooit, zei het bedrijf. En dat bleek nog zo te zijn ook.’ Dergelijke afdichtingen die tegen grote drukken bestand moeten zijn, zijn op veel meer plekken bruikbaar.

3D-printen van constructie

Een ander goed voorbeeld van technologische innovatie is het frame waarop de 31 photo-multiplier tubes binnen elke bol op vastzitten. Dat frame werd ooit door Berbee ontworpen, ‘en we produceerden die dingen op de 3D-printer. Dat ging goed, maar werd wel duur. Toen hebben we in samenwerking met het lectoraat Kunststoftechnologie van de hogeschool Windesheim een vervangende constructie ontworpen uit zes delen, die te spuitgieten zijn. Een knap staaltje, waardoor de maakkosten voor zo’n frame daalden van twaalfhonderd euro per bol naar zeventig euro.’
 

Openingsbeeld: artist impression van het meetnetwerk, met rechts een meetbol en boven een gele boei. Illustratie: Nikhef / Edward Berbee