Thema 4
Signalen uit de kosmos
Deeltjes slaan soms met enorme energie in op de aarde en de atmosfeer, of vliegen er juist haast ongehinderd doorheen.
En ook de ruimte zelf trilt waarneembaar. De vraag is wat de bronnen zijn van al deze kosmische deeltjes en golven, en hoe goed onze theorieën ze kunnen beschrijven.
Onderzoekers hebben deze kosmische processen niet in de hand, en zullen moeten afwachten wat zich aandient. Ze gebruiken vaak reusachtige detectoren, om zeldzame gebeurtenissen toch te kunnen opmerken. Deze detectoren staan meestal op afgelegen locaties, zodat ze geen last hebben van verstoringen.
Nikhef is wereldwijd actief in de astrodeeltjesfysica. In Argentinië werken onderzoekers aan het Pierre Auger observatorium voor kosmische straling. In de Middellandse Zee wordt op kilometers diepte de KM3NeT-neutrinotelescoop gebouwd. Onder een berg in Italië wacht de XENON-detector op binnenkomende donkere materiedeeltjes. De Virgo-detector bij Pisa meet subtiele zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten of neutronensterren in het heelal.
Te zien op dit eiland
Zwaartekrachtsgolven
Schaalmodel van de Einstein Telescope
De toekomstige detector voor zwaartekrachtsgolven
Zwaartekrachtsgolven
Zwaartekrachtsgolven zijn extreem kleine rimpelingen van de ruimtetijd die ontstaan doordat in het universum zwarte gaten of neutronensterren op elkaar botsen. Een eeuw geleden werden ze al voorspeld en in 2015 voor het eerst gemeten. Sindsdien zijn met de LIGO-detectoren in de VS en Virgo in Europa zwaartekrachtsgolven van vele tientallen verre botsingen waargenomen. Zulke metingen bieden een nieuw astronomisch venster op het universum en helpen ook mee om Einsteins relativiteitstheorie te testen.
Bij het passeren veroorzaken zwaartekrachtsgolven kleine afstandsvariaties die in interferometers als LIGO en Virgo gedetecteerd worden. Onderzoekers meten die variaties met laserstralen die heen en weer kaatsen tussen roerloze spiegels in kilometerslange armen. De armen zijn zo groot om uiterst subtiele variaties te kunnen meten. De metingen worden in een internationale samenwerking onder meer op Nikhef geanalyseerd. Daarnaast bouwt Nikhef mee aan verdere verbeteringen van de Virgo-detector bij Pisa.
Nikhef is ook betrokken bij de voorbereidingen voor een nieuwe ondergrondse detector met armen van 10 kilometer, de Einstein Telescope. Onder andere de grensregio van Zuid-Limburg (Euregio Maas-Rijn) wordt overwogen als locatie. In Maastricht wordt in de ETpathfinder-faciliteit nieuwe technologie voor deze detector getest.
Donkere Materie
Het heelal blijkt niet alleen gevuld te zijn met zichtbare sterren en sterrenstelsels. Ongeveer 85 procent van de materie die zwaartekracht veroorzaakt, straalt geen licht uit en is daarmee onzichtbaar. Fysici denken dat dit wijst op nieuwe, nog onbekende deeltjes die nauwelijks interactie hebben met gewone materie, de zogenoemde donkere materie.
De XENON-detector onder de Gran Sasso bergen in Italië probeert donkere materie waar te nemen met een groot vat zuiver vloeibaar xenon. Miljarden deeltjes donkere materie zouden per seconde vrij door de vloeistof moeten vliegen. Maar in zeldzame gevallen zou een donkere-materiedeeltje toch een xenon-atoom kunnen raken. Zo’n botsing veroorzaakt in de detector een lichtflits, plus bewegende elektronen die verderop nog een tweede lichtflits genereren.
Diep onder de bergen is het XENON-experiment afgeschermd van storende invloeden. Nikhef is intensief betrokken bij XENON. Tot nu toe zijn er nog geen donkere-materiedeeltjes gezien, maar het vergt jaren geduld om genoeg gegevens te verzamelen voor een eventuele ontdekking.
Kosmische straling
De aarde wordt constant gebombardeerd door deeltjes uit het heelal. Wat hun bronnen zijn, is niet goed bekend. Soms hebben deze deeltjes extreem hoge energie. Hun inslag in de atmosfeer veroorzaakt lawines van andere deeltjes, die vanaf het aardoppervlak kunnen worden waargenomen. Deze kosmische straling biedt natuurkundigen een andere manier om naar deeltjesprocessen te kijken dan met versnellers op aarde.
Het Pierre Auger observatorium bestudeert kosmische straling vanaf de pampa in Argentinië. Nikhef is deelnemer aan het project en bouwt mee aan verbeteringen en uitbreidingen van de detectoren.
Het observatorium bestaat uit vele honderden watergevulde tanks verspreid over een gebied zo groot als de provincie Utrecht. Deze tanks observeren de deeltjeslawines in de atmosfeer. Antennes en telescopen helpen om deze verder in kaart te brengen.
Neutrino’s
Neutrino’s zijn spookachtige deeltjes die ontstaan bij processen in atoomkernen, op aarde maar ook in de zon en in andere objecten verder weg in de kosmos. Ze vormen een nog raadselachtig onderdeel van de deeltjeswereld. Neutrino’s zijn vrijwel massaloos en vliegen bijna ongehinderd door materie heen. Alleen omdat er vele miljarden neutrino’s per seconde langskomen, is er nu en dan toch een die wel met een atoom op aarde botst en daardoor kan worden waargenomen.
Op de bodem van de Middellandse Zee bij het Franse Toulon en bij Sicilië in Italië bouwt Nikhef mee aan de reusachtige KM3NeTdetector om passerende neutrino’s te observeren.
KM3NeT gaat een kubieke kilometer zeewater in de gaten houden. Heel af en toe botst er in het donkere water een neutrino op een ander deeltje. Als dat gebeurt, ontstaat er een lichtspoor dat met een woud van lichtgevoelige fotobuizen wordt opgevangen. Deze sporen kunnen wijzen in de richting van bronnen van de neutrino’s in het heelal. Daarbij wordt samengewerkt met astronomen. Daarnaast bestudeert KM3NeT de eigenschappen van neutrino’s zelf, bijvoorbeeld hun massa’s en hun vermogen om van identiteit te veranderen.