Zestig jaar oude theorie eindelijk bewezen door neutrinodetector IceCube

Artistieke impressie van de IceCube detector (met Poollicht) in een fotomultiplier buis. De Hydrangea gebeurtenis wordt voorgesteld als de blauw oplichtende buis, die als eerste het neutrino detecteerde. Credit: IceCube Collaboration (ICL photo by Yuya Makino, IceCube/NSF

Het gebeurde op 6 december 2016, de gebeurtenis die de boeken is ingegaan onder de naam ‘Hydrangea’. Er vloog een zeer energierijk elektron antineutrino (6,3 PeV [1]Peta elektron volt, dat is zo’n duizend keren energierijker dan wat de Large Hadron Collider van CERN bij Genève, ’s werelds grootste deeltjesversneller, kan produceren. Andere … Continue reading ) met bijna de lichtsnelheid dwars door de aarde en toen ‘ie er in een fractie van een seconde bijna doorheen was botste hij met een elektron. Die botsing zorgde voor de creatie van een W- boson, een elementair deeltje dat de krachtvoerder van de zwakke wisselwerking is (samen met W+ en Z-bosonen). W- bosonen leven heel kort, dus na een fractie van een seconde verviel het W- boson in een waterval aan andere deeltjes. Het was de 1 km3 grote neutrinodetector IceCube, waarvan de gevoelige sensoren verborgen in het Zuidpool ijs liggen, die de interactie tussen het neutrino en elektron ‘zagen’ (zie de afbeelding hieronder).

De Hydrangea gebeurtenis. Ieder bolletje is een sensor van IceCube die de gebeurtenis waarnam. Rode cirkels zagen de ebeurtenis eerder dan de blauwgroene cirkels. Credit: IceCube Collaboration

OK en dan de hamvraag van de dag: wat maakt Hydrangea zo bijzonder? Welnu, het was de natuurkundige Sheldon Glashow die in 1960 [2]Toen was hij nog ‘postdoc’, een soort junior onderzoeker; In 1979 won hij de Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen voor z’n werk aan de electrozwakke wisselwerking. in dit artikel betoogde dat als een antineutrino (de anti-tweeling van een gewoon neutrino) zou reageren met een elektron er een nieuw deeltje zou kunnen ontstaan, mits het antineutrino genoeg energie zou hebben. Dat nieuwe deeltje was het W- boson, dat in 1960 nog hypothetisch was – het werd pas in 1983 ontdekt, met een massa die veel groter was dan Glashow en anderen in 1960 voorspelden. De 6,3 PeV die het antineutrino tijdens Hydrangea bij zich had was genoeg om de Glashow resonantie, zoals de interactie wordt genoemd, te bewerkstelligen.

Schematische voorstelling van het antineutrino dat van ver weg door de aarde vloog en botste met een elektron in de zuidpool. Credit: IceCube Collaboration

Vraag is natuurlijk wel fenomeen in staat is een antineutrino met een energie van 6,3 PeV te produceren. Men denkt dat actieve superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels dat moeten kunnen doen. In Nature verscheen een vakartikel over de eerste detectie van een lawine van deeltjes door IceCube van de Glashow resonantie. Bron: IceCube.

References[+]

References
1 Peta elektron volt, dat is zo’n duizend keren energierijker dan wat de Large Hadron Collider van CERN bij Genève, ’s werelds grootste deeltjesversneller, kan produceren. Andere ‘bekende’ neutrino’s die IceCube detecteerde, zoals Bert, Ernie en Big Bird, hadden een stuk minder energie.
2 Toen was hij nog ‘postdoc’, een soort junior onderzoeker; In 1979 won hij de Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen voor z’n werk aan de electrozwakke wisselwerking.

Neutrino gekoppeld aan zwart gat dat ster verzwelgt

Nadat het zwarte gat de ster heeft uiteengereten, is ongeveer de helft van het ster-restant terug geslingerd in de ruimte, terwijl de andere helft een gloeiende accretieschijf rond het zwarte gat vormt. Deze gebeurtenis is waargenomen van röntgen- tot radiogolflengten en met de detectie van één neutrino. Een centrale, krachtige ‘motor’ in het centrum van de schijf kan de neutrino- en radio-emissie verklaren. Fotocredit: DESY, Science Communication Lab

Astronomen hebben, pas voor de tweede keer ooit, een neutrino gekoppeld aan een object buiten onze Melkweg [1]De eerste keer was een neutrino afkomstig van een blazar, in september 2017 zie o.a. deze blog. In februari 1987 heeft men ook neutrino’s waargenomen die afkomstig waren van supernova 1987A, … Continue reading. Deze waarnemingen zijn gedaan met behulp van telescopen op zowel de aarde als in de ruimte. De onderzoekers, onder wie de Leidse astronoom Sjoert van Velzen, konden het neutrino traceren naar een zwart gat dat een ster aan het verslinden is, een zogeheten tidal disruption event. Het resultaat is gepubliceerd in Nature Astronomy.

Het heelal zit vol met zo goed als ongrijpbare neutrino’s. Deze ongeladen subatomaire elementaire deeltjes hebben nauwelijks interactie met andere materie. Vooral de neutrino’s met extreem hoge energie zijn interessant voor astrofysici. De bron van deze extreme deeltjes is onbekend.

Op basis van theoretische voorspellingen was er een vermoeden dat tidal disruption events al vroeg in hun evolutie – als ze op hun helderst zijn – hoge-energieneutrino’s kunnen produceren in straalstromen of jets. De eerste hoge-energieneutrino die gekoppeld is aan een tidal disruption event laat echter een aantal verrassende eigenschappen zien. “Het neutrino lijkt niet te zijn geproduceerd zoals we hadden verwacht,” zegt eerste auteur Robert Stein, promovendus aan de Humboldt University in Berlijn.

Het onderzoeksverhaal begint in april 2019, als een team onder leiding van Sjoert van Velzen een nieuw tidal disruption event ontdekt met behulp van de Zwicky Transient Facility, een robotische camera op Palomar Observatory in Califonië, VS. De uitbarsting vond plaats op een afstand van 690 miljoen lichtjaar van de aarde in het sterrenstelsel 2MASX J20570298+1412165, in het sterrenbeeld Dolfijn.

https://youtu.be/wEdZVN2RG3g

Naast deze optische waarnemingen werden ook meerdere ultraviolet- en röntgenbeelden gemaakt vanuit de ruimte (zowel met de Swift -telescoop als de XMM-Newton-satelliet). En tot slot werden ook radiotelescopen ingezet om het nieuwe event te bekijken: De Karl G. Jansky Very Large Array in New Mexico, VS, en MeerKAT in Zuid-Afrika.

De helderheid piekte in mei 2019, zonder dat er een jet verscheen. Op basis van theoretische voorspellingen leek deze nieuwe bron dan ook geen goede neutrino-kandidaat. Maar toen ontdekte het IceCube Neutrino Observatory op het Amundsen-Scott South Pole Station in Antarctica vijf maanden later, op 1 oktober 2019, een hoge-energieneutrino, genaamd IC191001A, en traceerde die terug naar een afgebakend stuk aan de hemel, precies waar het tidal disruption event plaatsvond. Het team berekende dat er een kans is van slechts 1 op de 500 dat deze associatie per toeval zou ontstaan. De vraag was vervolgens hoe het neutrino’s heeft kunnen produceren.

Voor het antwoord waren de waarnemingen met radiotelescopen essentieel. De radio-emissie bleef nog maandenlang stabiel, wat aantoont dat de versnelling van de deeltjes ook kan plaatsvinden na de helderheidspiek in zichtbaar licht. Na een analyse van alle gegevens blijven er drie mogelijke locaties over voor de productie van neutrino’s in tidal disruption events: in de buitendelen van de schijf door botsingen met UV-licht, in de binnendelen door botsingen met röntgenstraling, of in de uitstroom van deeltjes door botsingen met andere deeltjes.

Van Velzen heeft een voorkeur voor het model waarin het waargenomen neutrino zijn oorsprong vindt in het buitengebied van de schijf: “In dit deel is de dichtheid van UV-fotonen zo hoog dat het heel makkelijk is om neutrino’s te produceren met de energie die we hebben waargenomen.”

“De voorspelling dat neutrino’s en tidal disruptions gerelateerd zouden kunnen zijn is pas een paar jaren geleden gedaan,” aldus van Velzen. “Dat we het nu voor het eerst kunnen meten is natuurlijk ontzettend mooi. Met de detectie van slechts een neutrino komen we veel meer te weten over wat er gebeurt wanneer een ster in een zwart gat valt.” Bron: Astronomie.nl.

References[+]

References
1 De eerste keer was een neutrino afkomstig van een blazar, in september 2017 zie o.a. deze blog. In februari 1987 heeft men ook neutrino’s waargenomen die afkomstig waren van supernova 1987A, die plaatsvond in de Grote Magelhaense Wolk. Maar ja, die wordt kennelijk bij de Melkweg gerekend.

Plan gelanceerd voor een neutrinodetector verspreid over een oppervlak van 200.000 km²

Credit: Sijbrand de Jong / GRAND Collaboration

Je hebt kleine instrumenten en grote instrumenten. De zogeheten ‘Giant Radio Array for Neutrino Detection’ (GRAND) valt in de buitencategorie héél groot, een oppervlak beslaand van maar liefst 200.000 km². Het voorgestelde project komt uit de koker van de GRAND Collaboration, welke is geïnitieerd door de CNRS, het Franse instituut voor wetenschappelijk onderzoek. GRAND moet een detector worden die zich richt op neutrino’s met een ultrahoge energie, UHE-neutrino’s (energie > 1 EeV, exa elektronvolt, exa=10^18). Er zijn drie smaken neutrino’s, de elektron-, muon- en tau-neutrinos, en GRAND zal vooral gefocust zijn op de laatste smaak, de tau-neutrino’s. Die komen vanuit de diepten van het heelal, als een vorm van kosmische straling of als de kosmische straling (dat ook uit andere deeltjes kan bestaan, zoals protonen en heliumkernen) deeltjes in de atmosfeer/aardkorst raakt en in de waterval van deeltjes die dan ontstaat ook tau-neutrino’s zitten. Dat ze zich concentreren op die tau-neutrino’s en niet op de andere twee is dat er een hogere kans is deze te detecteren. Met de GRAND telescoop moeten ze de tau-neutrino’s kunnen detecteren.

Credit: Sijbrand de Jong / GRAND Collaboration

GRAND moet komen te bestaan uit een heleboel radio-stations, 200.000 stuks maar liefst. Die komen dan verspreid te staan over een bergachtig gebied dat 200.000 km² groot is, één ontvanger dus per vierkante kilometer. Er komt dus niet een enorme detector van die omvang, waar alles voor moet wijken, maar eenvoudig één ontvanger per km². Elke station komt te bestaan uit een antenne, een versterker en hardware om de gegevens door te geven (zie de foto hierboven). Zo’n enorme hoeveelheid radio-stations kost heel veel en daarom zijn ze nu met prototypes aan het kijken wat de meest goedkope en efficiënte manier is. Momenteel werken ze aan GRANDProto300, een prototype in een gebied van 300 km². Hier het vakartikel van hoofdonderzoeker Sijbrand de Jong (Radboud Universiteit) over het GRAND project. Bron: Phys.org.

De zon heeft inderdaad een CNO-cyclus: z’n neutrino’s zijn waargenomen

De Borexino detector, die 2000 gevoelige sensoren bevat. Credit: Borexino Collaboration

Natuurkundigen hebben met behulp van de Borexino detector, die zich 1400 meter diep onder het San Grassogebergte in Midden-Italië bevindt, neutrino’s waargenomen die door de zon zijn geproduceerd door diens koolstof-stikstof cyclus, ook wel de CNO-cyclus genoemd. En daarmee is vast komen te staan dat de zon inderdaad een CNO-cyclus heeft, iets dat wel werd vermoed, maar tot nu toe niet kon worden bevestigd. Neutrino’s afkomstig van de zon zijn al in de jaren zestig gedetecteerd, maar die zijn van een andere cyclus die zich in de zon afspeelt, de proton-protoncyclus (PP-cyclus). Die laatste is de voornaamste energiebron van de zon, waarbij in verschillende stappen vier waterstofkernen (protonen) worden omgezet in een helium-4-kern (alfadeeltje). 99% van de energie die de zon produceert komt tot stand via het PP-cyclus. Bij de koolstof-stikstofcyclus worden ook vier protonen in een heliumkern omgezet, maar hierbij komen ook koolstof C), stikstof (N) en zuurstof (O) aan te pas en soms ook fluor (F) – hieronder een voorstelling van de CNO-cyclus (die in de jaren dertig van de vorige eeuw werd bedacht door de natuurkundigen Bethe en Weizsäcker).

Credit: Borb/Wikipedia.

Slechts 1% van de energie van de zon komt dus door de CNO-cyclus en daarmee ook 1% van de neutrino’s die de zon produceert. Eigenlijk is de CNO-cyclus meer iets van grotere en hetere sterren. Er is nog een derde manier om van waterstof helium te krijgen en wel via het triple-alpha proces, maar dat komt helemaal niet voor in de zon. Hieronder zie je een grafiek waarin de energieproductie van de drie cyli en de temperatuur waarbij ze optreden te zien is, op de horizontale lijn is de situatie van de zon weergegeven.

Drie cycli van energieproductie in sterren. Credit: RJ Hall

Neutrinos’waarnemen is heel lastig, want deze superlichte elementaire deeltjes reageren niet op de elektromagnetische en sterke wisselwerking. De zwaartekracht is van zichzelf te zwak om neutrino’s te beïnvloeden, dus blijft de zwakke wisselwerking over. En zo heeft men met de Borexino detector die neutrino’s van de CNO-cyclus gedetecteerd. Per seconde vliegen er door iedere vierkante centimeter op aarde 700 miljoen CNO-neutrino’s, zelfs dwars door de aarde heen zonder er iets van te merken. Maar van die 700 miljoen per cm² per seconde zijn er altijd wel een paar die met de zuivere vloeistof in de Borexino detector reageren. Daarbij moest men wel de neutrino’s van de PP-cyclus (zo’n 70 miljard per cm²/s) weten te onderscheiden van de neutrino’s van de CNO-cyclus én van storende neutrino’s die door de aarde zelf worden geproduceerd via zeldzaam radioactief verval, maar dat is de onderzoekers gelukt. Hier het vakartikel over de detectie van de neutrino’s van de CNO-cyclus van de zon, verschenen in Nature. Bron: Universiteit van Maintz.

Een nieuwe verklaring voor de ANITA-anomalieën: weerkaatsing van kosmische straling

Kaart van Antarctica, maar daarop aangegeven in rood de plaatsen waar ANITA de twee anomalieën zag. In paars/blauw is de snelheid van het oppervlakteijs aangegeven. Credit: Ian Shoemaker.

Over de twee ANITA-anomalieën heb ik vaker geschreven, tot vervelens toe wellicht (zie o.a. deze en deze blog). Dat verhaal nog even in een notendop: in 2006 en 2014 detecteerde men met het ANITA-experiment 37 km hoog in de lucht boven de Zuidpool een zeer energetisch tau-neutrino, die uit de richting van de aarde kwam. Per seconde vliegen er zo’n 65 miljard neutrino’s per vierkante centimeter door je lichaam, maar die zijn van de zon afkomstig, die vliegen met alle gemak dwars door de aarde en daar merk je helemaal niets van. De neutrino’s die ANITA detecteert zijn van een andere orde, die zijn zeer energierijk, zo energierijk zelfs dat het hen niet lukt door de aarde te vliegen [1]Voor ‘ultra-high-energy’ (UHE) kosmische neutrino’s is dat een probleem, omdat hun energie boven de elektrozwakke schaal ligt (rond 240 GeV), de grens waarboven de elektrozwakke symmetrie zich … Continue reading. En toch zag ANITA twee tau-neutrino’s in 2006 en 2014 van beneden komen, dus vanuit de aarde – hieronder de karakteristieken van de twee gebeurtenissen.

Credit: Derek B. Fox, Steinn Sigurdsson, +4 authors Stéphane Coutu

Dat leverde direct de meest bizarre theorieën op, zoals dat van parallelle universums. Maar nu is er recent een theorie gekomen die een stuk down-to-earth is, haha wat zeg ik, down-from-earth kan ik beter zeggen. Want de natuurkundige Ian Shoemaker (Virginia Tech College of Science) en zijn collega’s – waaronder Peter Kuipers Munneke, hé die kennen we – komen met een nieuwe verklaring voor de twee met ANITA waargenomen anomalieën. Volgens hen kwamen er helemaal geen neutrino’s van onderaf, maar waren het oorspronkelijk deeltjes van de kosmische ‘straling’, die van bovenaf kwamen. Die term straling is een tikkeltje verwarrend, want het gaat merendeels om deeltjes zoals elektronen en protonen, maar ook om de kernen van helium en zwaardere elementen én uit neutrino’s en hoog-energetische fotonen. Eén zo’n deeltje van de kosmische straling dook bij de gebeurtenissen in 2006 en 2014 (en niet in 2016 en 2018, zoals in de bron staat) van bovenaf het ijs in en vervolgens werd ’t door een dichte ijslaag onder de oppervlakte van Antarctica weerkaatst. Het gaat om een laag die firn heet, een grofkorrelige substantie bestaande uit sneeuw en ijs. In zo’n laag firn kom je verschillende dichtheden door elkaar tegen en dat zorgt ervoor dat kosmische straling die daar met hoge snelheid doorheen vliegt botst met de protonen en elektronen van het ijs en dat ze gaan verstrooien.

Onderzoek aan firn bij een gletsjer. Credit: via Wikipedia.

Je krijgt dan een uitbarsting van radiostraling, die wetenschappers met hun instrumenten kunnen zien. Het probleem is dat deze signalen de eigenschappen van de radiopuls van een neutrino hebben. Door die verschillende dichtheden van firn kan het gebeuren dat je een weerkaatsing krijgt zonder dat er een fase-omkering optreedt. Daardoor denkt ANITA dat ‘ie de radiopuls ziet van een energierijk neutrino van onderaf, terwijl het in werkelijkheid een weerkaatst deeltje van de kosmische straling is, die oorspronkelijk van bovenaf kwam. Hier het vakartikel van Shoemaker, Kuipers Munneke en de anderen, verschenen in Annals of Glaciology. Bron: Phys.org.

References[+]

References
1 Voor ‘ultra-high-energy’ (UHE) kosmische neutrino’s is dat een probleem, omdat hun energie boven de elektrozwakke schaal ligt (rond 240 GeV), de grens waarboven de elektrozwakke symmetrie zich herstelt en de neutrino’s wél reageren met gewone leptonen, waar de aarde vol mee zit – iets wat ze onder die grens niet doen.

Het bestaan van materie in het universum door ‘CP-schending in de neutrino sector’ – deel III

credit: NASA/JPL/STScI Hubble Deep Field Team

We leven in een heelal vol met materie, voor ’t allergrootste deel opgebouwd uit de elementaire deeltjes quarks en elektronen (even niet gekeken naar donkere materie). En da’s hoogst opmerkelijk. Bij het ontstaan van het heelal 13,8 miljard jaar geleden zou volgens natuurkundige symmetriewetten net zoveel materie als antimaterie moeten zijn ontstaan. En als materie en antimaterie in die dichte hete bol na de oerknal samenkomen annihileert het en gaat het over in licht. Deze symmetrie tussen materie en antimaterie, die de natuurkundigen de CP-symmetrie noemen, zou een heelal van alleen maar licht moeten opleveren, zonder sterren, planeten en levende wezens. Maar kennelijk is ‘t allemaal iets anders verlopen en hebben we een heelal dat grotendeels uit materie bestaat en waarin antimaterie slechts sporadisch voorkomt – op elke miljard deeltjes in het heelal komt er één antideeltje voor. Om er achter te komen wat er in het vroege heelal anders is gegaan dan het Standaard Model voorspelt onderzoekt men die CP-symmetrie en kijkt men of er sprake is van zogeheten CP-schending. Dat is al lang geleden waargenomen bij quarks in B-mesonen, maar die afwijkingen zijn zo klein dat ze nooit de waargenomen asymmetrie tussen materie en antimaterie kunnen verklaren. Vandaar dat men zich richt op een deeltje dat in geweldige hoeveelheden aanwezig is in het heelal, het neutrino.

Het super-Kamiokande neutrino observatorium. Credit: Kamiokande Collaboration.

Eén van de experimenten waar ze neutrino’s bestuderen is T2K (‘Tokai to Kamioka’) in Japan, waarbij bundels neutrino’s en antineutrino’s worden geproduceerd in een kernreactor in Tokai, die vervolgens gericht worden gestuurd naar het ondergrondse Super-Kamiokande neutrino observatorium in Kamioka, 295 km verderop. In dit experiment werd al zo’n schending waargenomen, hetgeen de twee eerdere blogs over dit onderwerp opleverde, eerst in 2016 en daarna in 2017. Nu zijn er weer nieuwe metingen gedaan met T2K en die zijn een bevestiging van die eerdere metingen, dus vandaar dat deze blog deel III is (Wybren de Jong had er in de Astrocorner ook al een blog over).

De resultaten van T2K. Credit: The T2K Collaboration

Voor de details van het experiment verwijs ik naar de eerdere blogs en de blog van Wybren. De cruciale parameter in alle experimenten is de zogeheten δcp fase, die de CP-schending in neutrino oscillaties weergeeft – via die oscillaties veranderen neutrino’s telkens van ‘smaak’, in dit experiment van (anti)muon neutrino naar (anti)elektron neutrino. Vanuit de Tokai reactor gingen welgeteld  1,49 x 10²¹ protonen voor de neutrinobundel naar Kamiokande en 1,64 x 10²¹ voor de antineutrinobundel. Zoals je aan de grafiek hierboven ziet wordt het grijze gebied met een waarschijnlijkheid van 99,7% uitgesloten en is gebleken dat bij die oscillaties vaker elektron neutrino’s ontstaan dan anti-elektron neutrino’s – 90 stuks resp. 15 stuks.

Credit: Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

Men denkt dat door het zogeheten seesaw mechanism de neutrino’s in het vroege heelal in staat zijn geweest om dat overschot van materie boven antimaterie te creeëren – zie mijn blog uit 2016 voor de details daarvoor. Bron: Phys.org.

Met radartechnologie op zoek naar kosmische neutrino’s

Schematische voorstelling van de opstelling waarmee het deeltjesspoor van kosmische neutrino’s kan worden gedetecteerd. Credit: VUB.

Wetenschappers zoeken al sinds de jaren 40 van vorige eeuw naar radarreflecties van een deeltjesspoor. Zo’n deeltjesspoor ontstaat wanneer een extreem hoogenergetisch kosmisch deeltje botst, in onze atmosfeer of bijvoorbeeld in het zuidpoolijs. Een internationaal wetenschappelijk team onder de leiding van VUB-prof Krijn de Vries en Dr. Steven Prohira van Ohio State University is er nu als eerste ooit in geslaagd om zo’n deeltjesspoor te detecteren. Zij hebben hiermee aangetoond dat radartechnologie gebruikt kan worden in de zoektocht naar kosmische neutrino’s. Het resultaat van deze doorbraak werd gepubliceerd in Physical Review Letters.

Neutrino’s zijn sinds hun ontdekking meer dan vijftig jaar geleden nog steeds een mysterie. Deze elementaire deeltjes komen vanuit de verste uithoeken van het heelal, zijn vrijwel massaloos en interageren vrijwel niet. Heel uitzonderlijk botst een hoogenergetische neutrino in het poolijs.

Het IceCube experiment waaraan ook de VUB deelneemt, monitort een kubieke kilometer aan ijs op neutrino’s aan de hand van de lichtsignalen die tijdens zo’n botsing worden afgegeven. Maar IceCube kan niet alle neutrino’s detecteren. IceCube is vooral goed in staat om neutrino’s te detecteren met energieën onder de 10 biljard elektronvolt (PeV). Neutrino’s met hogere energieën, zijn zo zeldzaam dat een veel grotere detector nodig is om een neutrino op redelijke tijdschaal waar te nemen.

Impressie van de IceCube detector. Credit: IceCube Collaboration/NSF.

Om neutrino’s met hogere energieën toch ook te kunnen detecteren experimenteerde men al langer met de radiosignalen die neutrino’s tijdens een botsing afgeven. Het team van prof. de Vries en dr. Prohira heeft nu voor het eerst kunnen aantonen dat men hiervoor radartechnologie kan inzetten. In het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië hebben zij een bundel van hoogenergetische elektronen gebruikt om in een doelwit van plastiek een deeltjesspoor na te bootsen, gelijk is aan het spoor dat een neutrino achterlaat als het botst in het antarctisch ijs. Terwijl één antenne radiostraling afvuurde op het plastieken doelwit, werd het door andere antennes gade geslagen. En inderdaad, de andere antennes konden het deeltjesspoor waarnemen.

“Met de testbundel hebben we aangetoond dat het principe werkt. Een spoor van een neutrino met een energie tussen 10 en 100 PeV zal natuurlijk anders zijn dan het spoor gemeten tijdens dit experiment, maar op basis van simulaties denken we dat we die toch zullen kunnen detecteren, namelijk door een krachtigere radargolf het ijs in te sturen”, zegt Prof. Krijn de Vries van de onderzoeksgroep Elementary Particle Physics aan de Vrije Universiteit Brussel.

Volgend jaar hoopt het team een opstelling op Antarctica te bouwen om de radarmethode te testen, een opstap naar een detector die de daadwerkelijke neutrinosproren kan meten.

“Het soort neutrino’s die we met de radartechniek zullen kunnen detecteren zal ons meer kunnen vertellen over de extreem energetische astronomische verschijnselen in ons universum. Mogelijk brengt dit zelfs nieuwe natuurkunde aan het licht“, zegt prof. de Vries. Bron: Today.VUB.be

Hoe we dood zouden gaan als er op de plek van de zon een supernova zou uitbarsten

Artistieke impressie van Betelgeuze, de enorme gaspluim en de gasbellen op het oppervlak. Credit: ESO / L. Calçada.

Dát we met z’n allen op aarde doodgaan áls er op de plek van de zon een supernova zou uitbarsten is 100% zeker – de energie die ons zal doden is een miljard keer heviger dan als er een waterstofbom die tegen je aan zit explodeert. De vraag is alleen wát ons dan precies zal doden, de heftige straling, de schokgolf? De vraag wordt in een blog van de sterrenkundige Ethan Siegel van Starts with a Bang beantwoord en het is niet zo gek dat de vraag deze week is gerezen, want sinds het nieuws dat de rode superreus Betelgeuze in Orion flink in helderheid is afgenomen gonst het van de speculaties dat ‘ie mogelijk kaboem gaat als een type II-P supernova, een ‘core-collaps supernova’. Om die speculatie gelijk maar even de kop in te drukken: het lijkt er volgens de meeste deskundigen NIET op dat Betelgeuze daadwerkelijk binnenkort zal exploderen. Zo’n sterke daling van z’n lichtsterkte is vaker gebeurd en zo’n daling is volgens de modellen géén typisch kenmerk van een aanstaande supernova-explosie.

OK, dan die vraag hoe we dan precies doodgaan áls er op de plek van de zon, 149 miljoen km van ons vandaan (Betelgeuze staat op pakweg 640 lichtjaar, dus don’t worry), een supernova zou exploderen (de zon zal nooit een supernova worden, daar is ‘ie veel te licht voor, dus don’t worry). Als de zware ster (minstens acht zonsmassa) die de supernova veroorzaakt door z’n laatste fase van fusieverbranding in z’n kern aanbeland is, waarbij silicium in ijzer wordt omgezet, ziet ‘ie er uit als een soort ui, met verschillende lagen:

Credit: NASA / CXC / S. LEE

Die kern is dan zo’n drie miljard K heet en de silicium > ijzer verbranding heeft slechts 1 dag (!) geduurd. Dan is ’t ook meteen afgelopen met de ster, want ijzer kan niet fuseren tot nog zwaardere elementen, omdat dat netto meer energie kost dan het oplevert, energie die nodig is om tegendruk te bieden aan de zwaartekracht. De kern van de ster implodeert dan (vermoedelijk tot neutronenster) en de buitenlagen krijgen gedurende tien seconden een energie vanuit de kern aangeleverd van 10^44 Joules en die exploderen dan direct. De energie die dan vrijkomt manifesteert zich op drie manieren: straling (fotonen), de kinetische energie van de buitenlagen, die als een schokgolf expanderen en de neutrino’s. Hamvraag is dan dus: welk van deze drie komt het eerste aan bij de aarde en welk bevat de meeste energie?

Een voorbeeld van het restant van een supernova, de Krabnevel (M1) in het sterrenbeeld Stier, die op 4 juli 1054 explodeerde. Credit: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU)

Het antwoord: de neutrino’s! Zo’n 99% van alle energie van de supernova wordt door de neutrino’s gedragen en omdat zij het makkelijkst de extreem compacte kern van de ster kunnen verlaten – omdat neutrino’s  niet reageren op de electromagnetische wisselwerking – komen de met de lichtsnelheid reizende neutrino’s eerder bij de aarde aan dan de fotonen. We worden dus eerst door een enorme hoeveelheid neutrino’s bestraald, een hoeveelheid die dodelijk is tot een afstand van 2,4 Astronomische Eenheid van de zon, 360 miljoen km. Je beschermen in een bunker met tien meter dikke muren van lood heeft geen zin, want neutrino’s vliegen daar met gemak doorheen. Na die vloedgolf van neutrino’s, die we niets eens hebben zien aankomen, volgen enkele seconden later de fotonen, gevolgd door de schokgolf van deeltjes. Van de aarde zal dan niets meer over zijn, die is verdampt. Bron: Starts with a Bang.

Het is aftellen voor DESI, de nieuwe donkere energie detector

DESI, het Dark Energy Spectroscopic Instrument staat klaar in de startblokken. Over vier weken zal dit instrument op de Mayall telescoop te Kitt Peak te Arizona uitgebreid getest worden om de samenhang van 35 miljoen Melkwegstelsels nader te bestuderen met als doel meer over de aard van donkere energie te weten te komen. DESI  is het krachtigste spectrografisch instrument voor donkere energie tot nu toe. in 1998 ontdekten astronomen dat er een anti gravitationele kracht de expansie van het universum versnelde maar twee decennia later is deze zogenoemde ‘donkere energie’ nog steeds een raadsel. DESI zal van deze miljoenen Melkwegstelsels die grotendeels het zichtbare deel van het universum bestrijken, een duidelijker beeld proberen te krijgen van hoe ze zich verhouden tot tijd en ruimte.

Lees verder

Axis Mundi: een schitterende synergie van kunst en wetenschap

Credit: Donald Fortescue en Gwenhaël de Wasseige

Ik zag vandaag onderstaande video op twitter voorbij komen, een video genaamd Axis Mundi. Hij is van Donald Fortescue en Gwenhaël de Wasseige. De eerste is ‘professor of Art and Design’ aan het  California College of the Arts (CCA) in San Francisco, de laatste is natuurkundige aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB). Beiden publiceerden vorige week donderdag dit artikel, dat beschrijft hoe kunst en wetenschap aan de hand van neutrino-waarnemingen aan de Zuidpool op prachtige wijze kunnen combineren. De video Axis Mundi is een soort van artistieke uitdrukking van die combinatie – synergie optima forma. We zien de zon gefotografeerd vanaf de Zuidpool, de plek waar niet alleen de aardas (Axis Mundi) doorheen loopt, maar waar zich ook het IceCube Neutrino Observatory bevindt, de grote in het ijs begraven detector die met behulp van 5.160 gevoelige Digital Optical Modules (DOM’s) aan 86 kabels, hangend in 86 in het ijs gegraven putten van 1,5 km diepte, speurt naar neutrino’s. De neutrino’s uit de kosmos die daarmee zijn gedetecteerd zijn door een bepaald algoritme omgezet in muziek, gespeeld op een piano (met 88 toetsen) en daaruit kwam de compositie 86 Strings #1 voort. Die compositie hoor je in de video van Axis Mundi. Bij de opnames is gefocust op de zon, dus die blijft altijd centraal in beeld, de aarde zie je er onder door bewegen.

Axis mundi from Donald Fortescue on Vimeo.

Bron: Deze tweet van Daniel Fischer.