Jacht op neutrino’s in Groenland

Nick van Eijndhoven, gewoon hoogleraar aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB) en initiator en leider van het project: “Eindelijk hebben we dan nu onze eerste stations in het ijs kunnen plaatsen, na alle COVID-19 perikelen die de eerste installatiecampagne in 2020 onmogelijk maakten.”

De eerste fase van de installatie van de apparatuur voor dit baanbrekende project duurt nog tot half augustus. De corona-pandemie maakte deze fase tot een enorme logistieke uitdaging: teams moesten verscheidene weken op verschillende locaties in quarantaine doorbrengen voor ze naar Summit Station konden doorreizen. De installatie van het complete RNO-G observatorium (in totaal 35 stations met een onderlinge tussenafstand van 1.25 km) zal bijna vier zomerseizoenen in beslag nemen. De afzonderlijke stations kunnen autonoom werken dankzij het gebruik van zonnepanelen en zullen met elkaar in verbinding staan via een draadloos netwerk. VUB-onderzoeker Uzair Latif was verantwoordelijk voor het uitlijnen en in kaart brengen van de posities van alle detectorelementen. Hij maakte ook deel uit van het team dat de eerste gaten tot een diepte van 100 meter in het ijs heeft geboord, waarin later de radioantennes zouden worden geplaatst. VUB-fysicus Katharine Mulrey maakte deel uit van het tweede team dat verantwoordelijk is voor het installeren en testen van de radioantennes en de bijbehorende electronica. Het derde (en laatste) team bestaande uit onderzoekers uit de VS en DESY zal de komende weken de benodigde calibraties uitvoeren, voordat de Groenlandse winter zich aankondigt en de detector zijn eerste autonome waarnemingen zal verrichten.

“Neutrino’s zijn uiterst ongrijpbare, ultralichte elementaire deeltjes”, vertelt DESY-fysicus Anna Nelles, mede- initiatiefnemer van het project. “In de ruimte worden enorme hoeveelheden van deze deeltjes gecreëerd, vooral tijdens hoogenergetische processen zoals die ook in kosmische deeltjesversnellers plaatsvinden. Neutrino’s zijn echter heel moeilijk te detecteren, omdat ze vrijwel nooit met materie reageren. Elke seconde vliegen er bijvoorbeeld zo’n 60 miljard neutrino’s die afkomstig zijn van de zon volkomen onopgemerkt door een aardoppervlak ter grootte van een vingernagel.”

In uiterst zeldzame gevallen vindt er echter wel een wisselwerking plaats tussen een neutrino en materie wanneer dit toevallig op een atoom botst, bijvoorbeeld tijdens het passeren van de Groenlandse ijskap. Als het neutrino voldoende energie heeft, ontstaat door dergelijke zeldzame botsingen een lawine van secundaire deeltjes. In tegenstelling tot het neutrino zijn veel van die deeltjes elektrisch geladen. Deze lawine van geladen secundaire deeltjes zendt radiogolven uit die door de antennes kunnen worden opgevangen.

“Het voordeel van het gebruik van radiogolven in plaats van licht zoals bij IceCube, is dat radiogolven veel grotere afstanden kunnen afleggen in het ijs”, vertelt van Eijndhoven. “Dit betekent dat we radiosignalen over afstanden van enkele kilometers kunnen detecteren. Hiermee kunnen we dus op een betaalbare manier een zeer groot ijsvolume overzien en hebben we dus een veel  grotere kans om zo’n zeldzame neutrinobotsing waar te nemen. RNO-G zal de eerste grootschalige radioneutrinodetector zijn. Eerdere kleinschaligere experimenten in Antarctica hebben al aangetoond dat de techniek werkt en dat we dus met radiogolven deze kosmische deeltjes zouden moeten kunnen detecteren.”

“RNO-G en IceCube vullen elkaar perfect aan”, vult van Eijndhoven aan, “de radiodetectoren worden pas gevoelig waar de gevoeligheid van IceCube door zijn beperkte afmeting ophoudt, ook al beslaat die detector een volume van 1 kubieke kilometer. Verder is de gevoeligheid van beide detectoren het best voor kosmische objecten die zich in het Noordelijke deel van de hemel bevinden, zij het dan met een verschillend energiebereik. Dit betekent dat beide detectoren dezelfde bronnen kunnen bestuderen waarbij RNO-G dan de meest energetische neutrino’s kan waarnemen welke buiten het bereik van IceCube  vallen, terwijl IceCube juist de neutrino’s met lagere energie kan detecteren waarvoor RNO-G ongevoelig is. Hiermee kunnen we dus een meer gedetailleerd beeld verkrijgen van de betreffende astrofysische fenomenen.”

Momenteel wordt er ook gewerkt aan een uitbreiding van het IceCube observatorium, IceCube-Gen2, waarvan ook radiodetectoren deel zullen uitmaken.

“Hiermee wordt dan ook het Zuidelijk deel van de hemel ontsloten voor de meest energetische neutrino’s”, aldus van Eijndhoven.

Meer dan een dozijn partners zijn betrokken bij het baanbrekende project, waaronder de University of Chicago, Penn State University, de University of Wisconsin-Madison, Ohio State University, Kansas University, DESY, de Universiteit Gent, de Université Libre de Bruxelles (ULB) en de Vrije Universiteit Brussel (VUB) en het samenwerkingsverband van VUB en ULB binnen het Inter-university Institute for High Energies, IIHE.

Het RNO-G project werd mogelijk gemaakt door financiële steun vanuit het FWO-IRI programma.

Contact:

prof. Krijn de Vries - VUB (Krijn.de.Vries@vub.be)

prof. Nick van Eijndhoven - VUB (Nick.van.Eijndhoven@vub.be)