Belgische Nobelprijs voor Ice Cube Neutrino observatory

Neutrino’s zijn overal, maar ze laten zich niet opmerken. Ze gaan dwars door de aarde en door ons lichaam heen zonder dat we het merken. Heel zelden gaat een enkel neutrino een interactie aan met een atoomkern, waardoor iemand met de juiste apparatuur ze kan ontdekken.

Francis Halzen realiseerde zich dat je neutrino’s kan volgen in het ijs op de Zuidpool. In 1988 presenteerde hij zijn visie voor het eerst. Wanneer een neutrino in botsing komt met een atoomkern, ontstaat er een lichtflits die sensoren in het heldere gletsjerijs kunnen registreren. Het ijs op de Zuidpool biedt vele voordelen, omdat het vrij is van allerlei soorten interferentie en het gebied geologisch stabiel is, zonder aardbevingen.

Halzen en zijn idee kregen al snel de steun van andere onderzoekers en slechts enkele jaren later werden er voorlopige tests uitgevoerd met sensoren in het ijs. Dat was het begin van het IceCube Neutrino Observatorium – een kubieke kilometer ijs die is uitgerust met lichtsensoren.

Met IceCube kunnen onderzoekers neutrino’s opvangen die afkomstig zijn van uiterst energierijke processen in het verre heelal. Wetenschappers weten al lang dat de kosmos natuurlijke deeltjesversnellers bevat. Die stoten deeltjes uit met energieën die tot een miljoen keer hoger liggen dan wat in laboratoria op aarde kan worden bereikt. Veel aan deze bronnen is mysterieus: wat zijn het, waar bevinden ze zich en wat zijn de belangrijkste processen die erin plaatsvinden? Neutrino’s met extreem hoge energieën ontstaan in dezelfde omgevingen als andere deeltjes. In tegenstelling tot andere deeltjes bereiken neutrino’s ons echter zonder van richting te veranderen of energie te verliezen. Daardoor kunnen ze informatie verschaffen die op geen enkele andere manier beschikbaar is.

Kosmische neutrino’s met extreem hoge energieën zijn zeer zeldzaam, dus is er een enorme hoeveelheid ijs nodig om voldoende botsingen te kunnen zien. IceCube beslaat een volledige kubieke kilometer. Hij werd in 2011 voltooid. Onderzoekers ontdekten al snel de eerste hoogenergetische neutrino’s en konden enkele jaren later hun ontdekking publiceren van neutrino’s die ver buiten ons zonnestelsel waren ontstaan.

De geestelijke vader van IceCube

Francis Halzen opperde veertig jaar geleden als eerste het idee voor een gigantische neutrinodetector op Antarctica. Vandaag staat Halzen nog steeds aan het hoofd van het onderzoek met ‘zijn’ IceCube Neutrino Observatory, waarbij 280 fysici uit 42 instellingen – waaronder de Universiteit Gent, de twee Brusselse universiteiten en de Université de Mons – zijn betrokken.

We spraken Francis Halzen in 2014 over IceCube. Francis Halzen: ‘De eenvoudigste manier om je IceCube voor te stellen is als een telescoop die naar het universum kijkt, maar daarvoor neutrino’s in plaats van lichtstralen gebruikt. Op elk moment gaan er miljoenen van die elementaire deeltjes door de detector. Het merendeel is afkomstig van de zon of onze atmosfeer – daarin zijn we niet geïnteresseerd. Maar er zitten ook deeltjes tussen die in de meest extreme delen van de kosmos zijn gevormd. Omdat neutrino’s geen elektrische lading en vrijwel geen massa bezitten, gaan ze ongehinderd en in rechte lijn door sterren en planeten. Ze komen ‘ongeschonden’ in onze detector aan, waar we hun eigenschappen en oorsprong bestuderen.’

‘De detector is een gigantische blok ijs: een kubieke kilometer groot, anderhalve kilometer onder de Zuidpool. Wij hebben alleen het meettoestel gebouwd dat gebeurtenissen in dat blok ijs registreert. Verspreid over een vierkante kilometer ijs zijn met een krachtige heetwaterstraal 86 kokers van tweeënhalve kilometer diep geboord. In elke koker is daarna een kabel neergelaten, met telkens 60 lichtgevoelige detectoren. In totaal zitten 5.160 detectoren ingevroren in het ijs. Ongeveer één op een miljoen neutrino’s die door het ijs passeren, botst met een proton of neutron in de kern van een waterstof- of zuurstofatoom. In de brokstukken van zo’n botsing zit een negatief geladen muon-deeltje, dat zich door het ijs voortbeweegt in dezelfde richting waarin de neutrino is ingeslagen. Daarbij straalt het blauw licht uit: het zogenoemde Tsjerenkov-licht. De sensoren vangen dat licht op en zetten het om in een signaal dat naar erg krachtige computers in het observatorium aan de oppervlakte wordt gestuurd.’

Waarom staat de detector op de Zuidpool?

Francis Halzen (in 2014 in Eos): ‘Eerst en vooral: er is ijs, en veel. Botsingen tussen hoogenergetische neutrino’s en deeltjes in het ijs zijn zo zeldzaam dat de detector een gigantisch volume moet bestrijken om er geen te missen. Bovendien heeft het honderdduizend jaar oude ijs een zuiverheid die onmogelijk in een lab is na te bootsen. Dankzij die zuiverheid reikt het blauwe Tsjerenkov-licht veel verder, en moesten we minder sensoren in het ijs plaatsen.’

‘Maar eerlijk: dat laatste wisten we op voorhand niet. Het was gewoon een meevaller dat het ijs zo doorzichtig bleek te zijn. De echte reden waarom we naar de Zuidpool trokken, was het onderzoeksstation dat er al stond. Zonder dat station was IceCube er nooit gekomen. Je kan immers niet zomaar een gigantische detector bouwen op een ontoegankelijke plaats. Je hebt bouwmaterialen nodig, plaats voor tientallen ingenieurs en onderzoekers en frequente vluchten van en naar de bewoonde wereld.’

Ongeveer één op een miljoen neutrino’s die door het ijs passeren, botst met een proton of neutron in een water- of zuurstofkern. In de brokstukken van zo’n botsing zit een negatief geladen muon-deeltje, dat zich door het ijs voortbeweegt in dezelfde richting waarin de neutrino is ingeslagen. Daarbij straalt het blauw licht uit: het zogenoemde Tsjerenkov-licht. De sensoren vangen dat licht op.

Oceaan als detector

Het IceCube-project is een internationale samenwerking van meer dan 450 mensen uit 14 landen. Slechts twee jaar nadat het begon met het verzamelen van gegevens, zagen ze het eerste bewijs van hoogenergetische neutrino’s. Ze haalden de voorpagina van het bekende wetenschappelijke tijdschrift Science.

Sommige van deze neutrino’s hebben buitengewoon veel energie. Deze astrofysische neutrino’s zijn uiterst zeldzaam. Zelfs in een detector ter grootte van Ice Cube registreer je er slechts ongeveer één per dag. Het duurt dus lang om voldoende gegevens te verzamelen om er zeker van te zijn dat je daadwerkelijk astrofysische neutrino’s waarneemt. Ice Cube baant nu de weg voor een nieuw soort astronomie en er wordt wereldwijd een netwerk van neutrino-detectoren opgezet. Ice Cube zal worden uitgebreid, maar er zijn ook plannen om de oceanen te gebruiken, om water in plaats van ijs in te zetten voor neutrino-detectie.

Avontuur wetenschap

Tijdens het telefoontje van het Nobelcomité met Halzen, dat live werd uitgezonden tijdens de aankondiging, bleek Halzen een en al nuchtere bescheidenheid. Hij vertelde over de steun die hij kreeg voor zijn idee van de Universiteit van Wisconsin-Madison, en van heel veel mensen die in het project geloofden, ook als niemand wist of het zou lukken. ‘Ik moet benadrukken hoeveel geluk ik heb gehad. Toen we aan dit project begonnen, besefte iedereen wel dat het misschien een goed idee was, maar slechts weinigen dachten dat het zou lukken, waaronder ikzelf. Moedige en getalenteerde mensen sloten zich bij mij aan toen geen enkele echt respectabele conservatieve natuurkundige zich zou hebben aangesloten, en daarom ben ik hier.’

Op de vraag over wat we over het heelal kunnen leren door met IceCube te kijken, antwoordde hij dat het net zo spannend was dat we dat no niet weten. ‘Niemand wist of een detector van één kubieke kilometer daadwerkelijk groot genoeg was om neutrino’s uit het heelal te ontdekken. Het kostte ons slechts twee jaar om er te detecteren. Maar de eigenlijke astronomie moet nu nog plaatsvinden.’

De neutrino’s van superzware zwarte gaten in andere sterrenstelsels stralen zo fel dat ze ons eigen sterrenstelsel in de schaduw stellen. Daarom bleek het nog een hele klus om de Melkweg in neutrino’s waar te nemen, vertelt Halzen. ‘Het heeft ons veel moeite en nog veel meer jaren aan gegevens. We hebben deze ontdekking, met overtuigend bewijs, pas onlangs gedaan dankzij de geavanceerde machine learning-technieken van de afgelopen jaren. De echte wetenschap, de astronomie, nog moet komen.

Francis Halzen

Francis Halzen werd geboren in 1944 in Tienen, België. Hij studeerde wiskunde en natuurkunde aan de KU Leuven en promoveerde er in de theoretische fysica. Sinds 1971 is hij verbonden aan de University of Wisconsin-Madison (VS). Tussendoor werkte Halzen ook aan het CERN en de universiteiten van Durham en Tokio. In 2013 ontving hij als directeur van het Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) de ‘Physics World Breakthrough of the Year Award’ voor de observatie van de eerste kosmische neutrino’s. In 2026 won hij de Nobelprijs voor Natuurkunde.