86 kabels met 86 meetbollen op zo'n 2,5 kilometer onder het ijs van de Zuidpool: dat is de IceCube Neutrino Observatory, de gigantische telescoop waarmee fysicus Francis Halzen uit Tienen 'kosmische spookdeeltjes' ontdekte wat hem de Nobelprijs Fysica oplevert. Hoe werkt de installatie precies? En waarom is het onderzoek zo belangrijk?
86 kabels, 5.000 lichtsensoren, 2,5 kilometer diep: dit is de IceCube, de ijstelescoop waarmee Francis Halzen 'spookdeeltjes' ontdekte
Als je tot hier hebt gelezen, zijn er al miljoenen neutrino's door je lichaam gegaan. Neutrino's, ook wel "kosmische spookdeeltjes" genoemd, zweven overal door het heelal en kunnen overal doorheen, ons lichaam dus, maar ook je gsm, de aarde en zelfs het volledige melkwegstelsel.
"Het mooie van neutrino's is dat ze heel zwak interageren met materie, maar dat is natuurlijk ook meteen het probleem: neutrino's waarnemen is uitzonderlijk moeilijk", zegt Dirk Ryckbosch, emeritus professor in de fysica aan de UGent.
Toch kun je ze waarnemen: als een neutrino botst met een ijsdeeltje, ontstaat er een zwakke flits van blauw licht. "Dat ijs is ongelooflijk transparant, transparanter dan het zuiverste water dat je op aarde kan zuiveren", vertelde Francis Halzen in 2014 aan VRT NWS.
Wie is Francis Halzen?
Francis Halzen is geboren op 23 maart 1944 in Tienen, Vlaams-Brabant. Hij studeerde fysica en wiskunde aan de KU Leuven/UC Louvain en werkte tussen 1969 en 1971 als wetenschapper voor , het Europese onderzoekscentrum dat bekend is om zijn grote deeltjesversneller.
Sinds 1972 is Halzen professor aan de Amerikaanse universiteit van Wisconsin-Madison.
Francis Halzen kwam op het idee om een grote detector te bouwen op de Zuidpool, om neutrino's, 'spookdeeltjes uit het heelal', op te sporen. Hij leidde het project tijdens de bouw en wetenschappelijke ontwikkeling. Het observatorium werd gebouwd tussen 2005 en 2010.
Halzen kwam al in 1988 met het revolutionaire idee om op Antarctica een gigantisch meetinstrument te bouwen op het ijs. "Het is zoals een digitale camera", legde Halzen uit. "Elk neutrino is een pixel en om het beeld van het heelal te herkennen, moet je voldoende pixels hebben. Alleen weten we niet hoeveel we er nodig hebben", zei hij toen.
Ook wetenschappers van de Sovjet-Unie waren op zoek naar een manier om botsingen van neutrino's in het ijs op Antarctica te detecteren. Zij wilden het signaal opvangen met een radioantenne, maar Halzen dacht dat lichtsensoren diep onder het ijs beter geschikt waren om de blauwe lichtflitsen te detecteren.
Halzen kon verschillende wetenschappers en ingenieurs overtuigen van zijn idee. In 1992 deden ze een 1e poging om lichtsensoren in een gletsjer op de Zuidpool te installeren. Ze ontdekten gaandeweg dat het ijs op meer dan 1 kilometer diepte extreem zuiver en transparant was. De lichtflitsen van neutrino's konden daardoor wel 300 meter ver reiken, veel verder dan verwacht.
In 2000 hadden ze een eerste meetinstrument voor neutrino's klaar: AMANDA. Maar er was een groter instrument nodig om voldoende neutrino's uit het diepe heelal te kunnen waarnemen.
86 kabels en 86 meetbollen op 2,5 kilometer diep
En dus werd in 2005 gestart met een groter project: IceCube. Vanuit een basis op het ijs van Antarctica boorden ze een gat in het ijs. Daarin werd als test een kabel naar beneden gelaten waaraan een bol met meetapparatuur hing.
Toen bleek dat de meetapparatuur met lichtsensoren werkte, werden nog 8 strings (kabels) uitgezet, waardoor IceCube de grootste neutrinotelescoop ter wereld werd. Jaar na jaar werden steeds meer gaten geboord en steeds meer meetbollen het ijs in gezakt.
5 jaar later was het IceCube Neutrino Observatory voltooid. Zo'n 86 kabels hingen er tot 2,5 kilometer diep in het ijs, elk met een meetbol eraan. Samen vormen ze een kubieke-kilometer grote neutrinodetector met meer dan 5.000 lichtsensoren.
Eerste kosmische neutrino's
In 2013 ontdekten Halzen en zijn team voor het eerst kosmische neutrino's, maar heel zeker waren ze nog niet. "Omdat maar een hele kleine fractie van de neutrino's iets doet in die telescoop, moet je lang wachten om dingen voldoende duidelijk te zien en zeker te zijn", zegt Ryckbosch.
Belgische Nobelprijswinnaar Francis Halzen legde in 2014 zelf uit wat hij onderzoekt
"Het is alsof je in een hele donkere kamer zit met je camera en maar om de zoveel tijd komt er een lichtflitsje binnen", gaat hij verder. Een paar jaar later hadden ze zoveel gegevens verzameld dat Halzen en zijn team zeker konden zijn van hun ontdekking.
Bij de eerste 28 neutrino's zaten ook een paar hoogenergetische neutrino's. Het waren de eerste hoogenergetische neutrino's die ooit waren ontdekt. Het paar kreeg de bijnaam "Bert" en "Ernie".
Update naar 8 keer sterkere IceCube
In 2019 kreeg het IceCube-observatorium een update die pas dit jaar werd voltooid. Er werden 5 strengen met sterkere meetbollen en lichtsensoren toegevoegd aan de onderkant van de 86 bestaande strengen. Daarmee werd het aantal sensoren met meer dan 600 nieuwere, verbeterde sensoren en kalibratie-instrumenten vergroot.
Lees: IceCube werd nog sterker in het detecteren van de neutrino's en de eigenschappen ervan te onderscheiden. Al wordt dit nog maar een "tussenstap" genoemd naar een toekomstige IceCube-Gen2. Die moet in de toekomst tot 8 keer sterker zijn dan de huidige IceCube.
Vandaag detecteert het IceCube-observatorium elke dag een 200-tal neutrino's, vooral deeltjes die ontstaan uit botsingen van tegen moleculen in de atmosfeer. Maar wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in de hoogenergetische neutrino's die ontstaan uit grote ontploffingen in het heelal, om meer te leren over zwarte gaten en sterren.
Waarom is IceCube zo belangrijk?
Volgens Ryckbosch heeft die vraag een simpel antwoord. "De mens is al zolang we weten iemand die naar omhoog kijkt en zich afvraagt: wat is dat daar allemaal? Wat zijn die lichtpuntjes in de lucht?", zegt Ryckbosch. We dachten lange tijd dat wij het centrum van het heelal waren, tot we de telescoop hebben uitgevonden.
"Langzaam aan is ons beeld van het heelal en hoe het in elkaar zit veranderd. Door alsmaar meer te weten te komen over de structuur van het heelal en wat daar gebeurt, leren wij ook steeds beter onze plaats kennen in het universum. IceCube helpt ons daarbij, daarom is hij belangrijk", zegt Ryckbosch.
"We kunnen delen van het universum observeren waar je nu niet aan kan, omdat er bijvoorbeeld een stofwolk tussen zit", zegt astrodeeltjesfysicus Bob Oeyen. "Neutrino's kunnen overal doorheen, door die te observeren kun je toch informatie halen uit zaken die anders verborgen blijven."
Onderzoek naar 'neutrino's' levert Belgische fysicus Nobelprijs op, maar wat zijn dat eigenlijk? Koen Wauters legt uit
