Neutrino met hoogste energie ooit gedetecteerd: ‘Duizend keer energieker dan alles wat we op aarde kunnen produceren’

Beeld: Digital Optical Modules, de bouwstenen van de KM3NeT-detector. Credit: Nikhef

Voor de vissen die in de vroege uurtjes van 13 februari 2023 diep zwommen in een bepaald deel van de Middellandse Zee voor de kust van Sicilië, was het een nacht als alle andere. Tenminste, tot een plotse azuurblauwe schittering, onzichtbaar voor het menselijke oog, door het donkere water schoot. De gebeurtenis betekende iets buitengewoons: de ontdekking van het meest energetische deeltje in zijn soort dat tot nu toe is gemeten.

De flits was het visitekaartje van een kosmisch neutrino, een piepklein 'spookdeeltje', zo genoemd vanwege zijn astronomisch kleine kans op interactie met de gewone materie waaruit onze wereld bestaat. Zo zou een neutrino ongeschonden door een lichtjaar aan lood kunnen gaan. En elke seconde passeren zo’n 100 biljoen van deze deeltjes (waarvan de meeste zijn uitgezonden door onze zon) door je lichaam. Dat maakt ze moeilijk te vangen, maar ook krachtige boodschappers van verborgen astrofysische processen die aan het werk zijn in de ondoorzichtige harten van sterren en de door stof verduisterde kernen van sterrenstelsels.

De ontdekking en beschrijving van deze neutrino komt van een overwegend Europees samenwerkingsverband dat KM3NeT heet, een uitgestrekte neutrinotelescoop die nog in aanbouw is en die, als hij eenmaal af is, ongeveer een kubieke kilometer mediterraans zeewater vol meetinstrumenten zal gebruiken als basis voor zijn twee verschillende detectoren. Maar zelfs in zijn onvoltooide staat heeft het project al een verbluffend resultaat opgeleverd: een neutrino dat waarschijnlijk van buiten het Melkwegstelsel komt en een ongekende kracht heeft.

Harde botsing

‘Het bevindt zich in een volledig onontgonnen energieregio, dertig keer hoger dan welke eerdere waarneming van neutrino’s dan ook’, zei Paschal Coyle, een neutrinofysicus aan het Franse Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en lid van het KM3NeT-team, tijdens een persconferentie over het onderzoek die dinsdag werd gehouden.

Van de twee detectoren van KM3NeT is er een bedoeld voor de meer alledaagse atmosferische neutrino's. De andere, ARCA genaamd, bevindt zich bijna 3,5 kilometer onder water voor de kust van Sicilië en is ontworpen om astrofysische neutrino's te detecteren door de restanten van hun zeldzame interacties met watermoleculen te observeren.

‘Deze dingen hebben zoveel energie - ze botsen zo hard - dat je een enorme nevel van deeltjes krijgt,’ zegt Kate Scholberg, een natuurkundige aan Duke University, die neutrino's bestudeert maar niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek. ‘Neutrino’s interageren niet vaak, maar als dat wel gebeurt, ontstaat er een gigantische, spectaculaire knal van allerlei deeltjes die overal naartoe vliegen. En het is het licht van die deeltjes dat je ziet.’

Toen het nieuw ontdekte neutrino insloeg, observeerde ARCA met slechts 21 van de geplande 230 detectielijnen. Het neutrino botste tegen een watermolecuul buiten de detector en creëerde een uitbarsting van deeltjes, waaronder een hoogenergetisch muon. Dat is een soort subatomair deeltje dat lijkt op een elektron, maar tweehonderd keer zwaarder is. Het muon creëerde vervolgens zijn eigen brokstukken en veroorzaakte een rimpeling van lichtblauwe fotonen, Cherenkovstraling genaamd, die langs de instrumenten van ARCA schoten. Door dat licht te analyseren, konden natuurkundigen het onderzeese pad van het muon reconstrueren, de energie van het oorspronkelijke neutrino schatten en de herkomst ervan tot een specifieke regio in de ruimte herleiden.

De onderzoekers schatten dat de energie van het neutrino ongeveer 220 peta-elektronvolt bedroeg, meer dan 30 keer hoger dan het meest energetische neutrino dat voor de nieuwe waarnemingen werd gedetecteerd. Tijdens de persconferentie stelde Aart Heijboer, natuurkundige aan het Nikhef Nationaal instituut voor subatomaire fysica in Nederland en medeauteur van het nieuwe onderzoek, het beeld voor van een pingpongbal die ongeveer een meter valt in de zwaartekracht van de aarde. Het nieuw gedetecteerde neutrino bevatte ongeveer evenveel energie, maar dan samengeperst in een enkel subatomair, zei hij. Of je zou het kunnen vergelijken met de krachtigste deeltjesversnellers die wetenschappers ooit hebben gebouwd: ‘Dit is duizend keer energieker dan alles wat we op aarde kunnen produceren’, zegt Bryan Ramson, een neutrinofysicus aan het Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek.

De ontdekking is opwindend, maar roept ook meer vragen op dan ze beantwoordt. KM3NeT voegt zich bij de langlopende neutrinotelescoop IceCube, die sinds 2011 gegevens verzamelt in de buurt van de Zuidpool. IceCube is ontworpen om dit soort hoogenergetische neutrino's net zo effectief op te vangen als KM3NeT. Toch bevat haar huidige recordobservatie slechts een dertigste van de energie van de nieuwe vondst van KM3NeT. Dat doet bij sommige experts de wenkbrauwen fronsen.

‘Mijn eerste indruk is dat dit erg onverwacht is. En hoe kan dit mogelijk zijn zonder dat IceCube eerder iets vergelijkbaars heeft gezien?’, zegt Ignacio Taboada, natuurkundige aan het Georgia Institute of Technology en huidig woordvoerder van de IceCube-samenwerking.

Bovendien konden de KM3NeT-wetenschappers hun hoogenergetische neutrino niet aan een bepaalde bron koppelen. De onderzoekers scanden het kleine stukje hemel waar het neutrino waarschijnlijk vandaan kwam, maar vonden geen duidelijk aanwijsbare oorzaak, zoals een blazar, een type actieve galactische kern dat zo’n krachtig deeltje zou kunnen creëren. Dat zou kunnen betekenen dat het neutrino in plaats daarvan afkomstig is van een supersnelle kosmische straal die botste met een foton uit het extragalactische achtergrondlicht of de kosmische microgolfachtergrond, zo stellen de onderzoekers.

Spookachtige aard

Dergelijke esoterische mogelijkheden maken het bestuderen van astrofysische neutrino's erg ingewikkeld, maar zijn ook een van de redenen waarom wetenschappers zich aangetrokken voelen om ze te bestuderen. De meeste astronomische waarnemingen blijven gebonden aan fotonen, maar fotonen kunnen gemakkelijk worden geblokkeerd. Neutrino's daarentegen reizen door hun spookachtige aard ongehinderd in een rechte lijn over enorme afstanden. Dit biedt een andere kijk op het universum, die zelfs teruggaat tot de vroegste dagen. Met licht is er ‘een limiet aan hoe ver je kunt kijken’, zegt Ramson, namelijk tot de fotonische mist van de kosmische microgolfachtergrond, die zo'n 380.000 jaar na de oerknal werd uitgezonden. ‘Neutrino's zijn een manier om door die sluier heen te prikken en verder terug te kijken dan ooit tevoren.’

Of wetenschappers op het punt staan die sluier te doorbreken, hangt af van of KM3NeT blijft zorgen voor verbluffende waarnemingen zoals de detectie in 2023, en of IceCube dit kan evenaren na zo’n lange periode zonder detecties van zulke hoogenergetische deeltjes. Op dit moment is de schijnbare discrepantie in de waarnemingen van de detectoren op zijn zachtst gezegd verwarrend. ‘Misschien hebben ze gewoon geluk gehad; het is moeilijk te zeggen’, zegt Scholberg. ‘Het is erg intrigerend en het betekent duidelijk dat we meer gegevens nodig hebben.’

Taboada is het ermee eens dat de huidige detectie prikkelend is, maar dat neutrinowetenschappers meer waarnemingen nodig hebben om te weten hoe ze de observatie van KM3NeT moeten interpreteren.

‘Als dit inderdaad een astrofysisch neutrino blijkt te zijn, zou dat monumentaal zijn’, zegt Taboada. Maar hij wil meer zien. ‘Deze gebeurtenis is vreemd. Ik denk dat dat een goede conclusie is’, zegt hij. ‘Het is onverwacht, hoe je het ook bekijkt.’