Nature publicatie - IceCube op Antarctica bewijst 60 jaar oude fysicavoorspelling met hoogenergetische deeltjes uit heelal

VUB-radiotechnologie is toekomst voor zoektocht naar kosmische neutrino's

Woensdag 10 maart 2021 — In 1960 voorspelde nobelprijswinnaar Sheldon Glashow een proces binnen het Standaardmodel, het belangrijkste model van de deeltjesfysica. De theorie beschrijft de interactie van een antineutrino met een elektron waarbij een nieuw deeltje geproduceerd wordt. Maar geen enkele deeltjesversneller op aarde, ook niet de Large Hadron Collider van CERN, is in staat dit proces te laten plaatsvinden, omdat dit extreem hoge deeltjesenergie vraagt. Met (anti)neutrino’s uit de kosmos heeft het IceCube Neutrino Observatorium op de Zuidpool nu wel, voor het eerst, een dergelijk proces kunnen waarnemen. Hiermee is deze belangrijke fysicavoorspelling nu bevestigd. Het resultaat werd op 10 maart in het gerenommeerde tijdschrift Nature gepubliceerd. "Ons universum spuugt deeltjes uit met energieën die wij op aarde nooit zouden kunnen bereiken. Dit toont duidelijk het belang van de astrodeeltjesfysica bij fundamenteel onderzoek op de hoogste energieschalen. En niet enkel dat. De technologieën die voor dergelijk onderzoek ontwikkeld worden, zoals dataverwerking of radiotechnologie, vinden hun toepassing in de hele maatschappij,” zegt Nick van Eijndhoven, leider van de VUB-groep astrodeeltjesfysica. De VUB analyseert o.a. data en ontwikkelt voor IceCube innovatieve detectietechnieken op basis van radiosignalen.

Neutrino’s en antineutrino’s, de antimaterie-tweeling van een neutrino, zijn spookachtige subatomaire deeltjes, onder meer afkomstig uit de meest extreme omgevingen in het heelal. Op 8 december 2016 raasde zo een hoogenergetisch deeltje vanuit de ruimte naar de aarde met een snelheid die de lichtsnelheid benaderde en 6,3 peta-elektronvolts (PeV) aan energie vervoerde. Diep in de ijskap op de Zuidpool botste het tegen een elektron en produceerde een deeltje dat snel verviel in een douche van secundaire deeltjes. Deze interactie werd opgevangen door het IceCube Neutrino Observatorium, een enorme telescoop die in de gletsjer van Antarctica is ingegraven. IceCube had een Glashow-resonantie waargenomen, een fenomeen dat in 1960 werd voorspeld door Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow.

In een artikel voorspelde hij dat een antineutrino kon reageren met een elektron om een nog niet ontdekt deeltje te produceren - als het antineutrino maar de juiste energie had. Toen dat deeltje, het W-boson, in 1983 werd ontdekt, bleek het heel zwaar te zijn. De Glashow-resonantie zou een neutrino vereisen met een energie bijna 1.000 keer meer dan wat de Large Hadron Collider van CERN kan produceren. In feite kan geen enkele door mensen gemaakte deeltjesversneller op aarde een neutrino met zoveel energie maken.

Maar in ons universum zijn er wel zulke natuurlijke versnellers. Superzware zwarte gaten in de centra van melkwegstelsels en andere extreme kosmische gebeurtenissen kunnen deeltjes opwekken met energieën die onmogelijk op aarde kunnen worden gemaakt. Een dergelijk fenomeen was waarschijnlijk verantwoordelijk voor het 6,3 PeV antineutrino dat IceCube in 2016 bereikte. Glashow, nu emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Boston, benadrukt de noodzaak van meer detecties van Glashow-resonantiegebeurtenissen. "Om er absoluut zeker van te zijn, zouden we nog zo'n gebeurtenis moeten zien, bij precies dezelfde energie," zegt hij. "Tot nu toe is er één, en op een dag zullen er meer zijn."

VUB wil met innovatieve radiotechnologie meer kosmische neutrino’s opsporen

Sinds IceCube in mei 2011 volledig operationeel werd, heeft het observatorium honderden hoogenergetische neutrino's gedetecteerd. Maar de antineutrino van 2016 is pas de derde neutrino, door IceCube gedetecteerd, met een energie van meer dan 5 PeV. Het is ook meteen de eerste keer dat de metingen neutrino's en antineutrino’s uit elkaar konden houden en dat heeft belangrijke gevolgen voor toekomstige metingen. "Er zijn een aantal eigenschappen van astrofysische neutrino's die we niet kunnen meten, zoals de fysieke grootte van de versneller en de magnetische veldsterkte in het versnellingsgebied," zegt Tianlu Yuan, een hoofdanalist. "Als we de verhouding tussen neutrino en antineutrino kunnen bepalen, kunnen we deze eigenschappen wel gaan onderzoeken."

De IceCube Collaboration wil in toekomst daarom nog meer hoogenergetische deeltjes kunnen detecteren en doorslaggevende metingen van de neutrino-tot-antineutrino-verhouding doen. Het IceCube-team van de VUB neemt hierbij het voortouw onder leiding van Nick van Eijndhoven en Krijn de Vries. Zij ontwikkelen momenteel een innovatieve detectietechniek, gebaseerd op radiosignalen die worden geproduceerd tijdens het proces van een neutrino-interactie.

Internationale samenwerking

Het IceCube consortium heeft onlangs een upgrade van de detector aangekondigd die in de komende jaren zal worden uitgevoerd, de eerste stap naar IceCube-Gen2. Wat dit onderzoek vooral aantoont, is de waarde van internationale samenwerking. IceCube wordt beheerd door meer dan 400 wetenschappers, ingenieurs en medewerkers van 53 instellingen in 12 landen, samen bekend als de IceCube Collaboration. Het IceCube Neutrino Observatorium wordt internationaal gefinancierd, met aanzienlijke bijdragen van het Nationaal Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FNRS & FWO) in België.

"Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube," De IceCube-Collaboratie: R. Abbasi et al. Nature [https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03256-1]

Contact:

Nick van Eijndhoven, Radio detection lead

Vrije Universiteit Brussel (VUB)

[email protected]

Krijn de Vries, Radar detection lead

Vrije Universiteit Brussel (VUB)

[email protected]

Madeleine O’Keefe, IceCube Press

[email protected]

hashtag #GlashowEvent
Twitter: @uw_icecube
Instagram: @icecube_neutrino
Facebook page: “IceCube Neutrino Observatory” @icecube.neutrino

bijgevoegd vindt u:

1. een FAQ (in het Engels) die volgende vragen beantwoordt: Wat zijn (anti)neutrino's? Waar komen ze vandaan? Waarom bestuderen we ze? Wat betekent het resultaat voor leken? Hoe werkt de Ice Cube?

2. het originele Engelstalige persbericht en de link naar het Nature artikel

3. een document met bijhorende credits en info voor gebruik van de beeldengalerij

4. beeldengalerij van de IceCube