Waarom neutrino-detectoren er altijd supercool uitzien

Neutrino-detectoren zien er anders uit dan je zou verwachten van een instrument voor natuurkundig onderzoek. Ze lijken eerder op een futuristische kunstinstallatie of een vijfsterrenhotel uit een toekomstige menselijke beschaving op Mars. Toch is niets aan deze machine voor de sier – elk onderdeel is tot in de puntjes geoptimaliseerd voor de zoektocht naar één van de meest ongrijpbare deeltjes in het universum: de neutrino. Neutrino's zijn de geesten onder de deeltjes: ze zijn ontzettend licht en reageren nauwelijks op andere deeltjes. Ze zijn zelfs zo spookachtig dat we er niets van merken dat ze in een constante stroom door het hele universum reizen, inclusief onze lichamen. Ondanks de ongrijpbaarheid van neutrino's, bestaat er een manier om deze deeltjes te detecteren; namelijk door ze af te vuren op een bad van vloeistof zoals bijvoorbeeld water, cadmium, germanium of minerale olie. Als een neutrino op een bad van één van deze vloeistoffen wordt afgevuurd, komt het in botsing met een ander deeltje – idealiter een licht, geladen deeltje zoals een elektron – waardoor er een meetbare reactie ontstaat.

Door de botsing met de neutrino wordt het elektrondeeltje versneld tot de voortplantingssnelheid van licht – tenminste, de lichtsnelheid binnen het specifieke medium dat gebruikt wordt, in dit geval een vloeistof zoals water. Verschillende substanties hebben namelijk hun eigen lichtsnelheid, die altijd lager is dat die in een vacuüm. De snelheid van licht in water is bijvoorbeeld een kwart lager dan die in een vacuüm. En in tegenstelling tot de lichtsnelheid in een vacuüm, die vooralsnog de absolute maximale snelheid is waarmee informatie overgebracht kan worden, kan de snelheid in een ander medium verhoogd worden door het toevoegen van een extra energieboost zoals een neutrino.

Dit proces kan waarneembare effecten hebben, zoals bijvoorbeeld het Tsjerenkov-effect. De blauwige gloed van dit effect, die ook gezien kan worden bij nucleaire reactoren, is het resultaat van een soort schokgolf die te vergelijken is met het opstijgen van een straaljager. Deze golf ontstaat doordat versnelde elektrondeeltje zich een weg banen door andere, minder snelle deeltjes, voor observeerders waarneembaar als blauw licht. Dit is het punt waarop de neutrino-detector een rol gaat spelen – of om preciezer te zijn: de duizenden glazen bollen die ervoor zorgen dat de detector er zo cool uit ziet. Het doel van deze bollen is om de lichtgevende golven van deeltjes die door door de botsing tussen de neutrino en een ander deeltje ontstaan op te vangen en te verstreken. Hierdoor kan informatie worden verkregen over onder andere de energie en stuwkracht van de neutrino. Mocht je nu zin krijgen om zo'n detector in het echt te bekijken: dat gaat moeilijk worden. Neutrino-detectoren worden namelijk diep onder de grond geplaatst, om de invloed van bijvoorbeeld kosmische straling zo klein mogelijk te maken. Installaties als de Sudbury Neutrino Observatory in Ontario en de Super-Kamiokande in Japan zijn in leegstaande mijnen gebouwd, en de telescoop ANTARES ligt 2,5 kilometer onder de Middellandse zee. De grootste neutrino-detector ter wereld, de IceCube Neutrino Observatory, waarvan een schaalmodel te zien is in de onderstaande afbeelding, is diep in het ijs van Antarctica te vinden, vastgezet met kabels.

Waarom doen wetenschappers al deze moeite om neutrino's te analyseren? Dit heeft in de eerste plaats te maken met het feit dat neutrino's nauwelijks interactie hebben met andere deeltjes, wat betekent dat ze bijzonder geschikt zijn voor het bestuderen van fenomenen die meestal niet observeerbaar zijn door het effect van andere deeltjes. Een foton bijvoorbeeld doet er 40.000 jaar over om vanaf het centrum van de zon naar het zonne-oppervlak te reizen, terwijl een neutrino die reis in een oogwenk kan maken, omdat ze niet door andere deeltjes gehinderd wordt. En dan is er het potentieel van de neutrino om bij te dragen aan het oplossen van het grootste vraagstuk dat er is: de vraag waarom het universum bestaat. Het blijkt namelijk dat neutrino's veranderen door met elkaar te interacteren, wat gelinkt kan worden aan de vraag waarom de materie in het universum niet vernietigd werd door een botsing met antimaterie. Het bestuderen van neutrino's en hun reacties op andere deeltjes, kan bijdragen aan ons begrip van ons bizarre universum. Als we daarvoor enorme futuristische vloeistoftanks met duizenden glazen ogen moeten bouwen, is dat de moeite meer dan waard. Alleen jammer dat we deze esthetische hoogstandjes onder de onderzoeksinstrumenten ver onder de grond moeten opbergen, en ze niet een parttime-functie als kunst in een museum kunnen geven.