Emerge’s project van het jaar 2025: de diepzeemachine die een geest met ultrahoge energie heeft gevangen

De Middellandse Zee, gewoonlijk geroemd om zijn zonovergoten kusten en azuurblauwe oppervlakte, verbergt een geheim in zijn verpletterende duisternis.

Drie en een halve kilometer onder de golven voor de kust van Sicilië is het water pikzwart, bijna ijskoud en onder druk die zo intens is dat een onderzeeër ineenkrimpt alsof het een leeg bierblikje is. Het is een plaats van diepe stilte, ongestoord door de chaotische aangelegenheden van de oppervlaktewereld. Toch waakt er iets in deze afgrond.

Duizenden glazen bollen, als massieve parels opgehangen aan verticale kabels die uit de zeebodem oprijzen, hangen in de duisternis. Ze luisteren naar het universum dat zijn geheimen fluistert.

Op een rustige dinsdag in februari 2023 werd de stilte verbroken door een fantoomflits van blauw licht die slechts nanoseconden duurde. Het was een signaal dat miljarden lichtjaren had afgelegd, door sterrenstelsels, sterren en de hele massa van de aarde was gegaan voordat het zijn reis hier eindigde, in de sensoren van een machine die nog niet eens volledig gebouwd was.

Die flits was de voetafdruk van een neutrino die 220 Peta-elektronvolt (PeV) aan energie vervoerde, een getal dat zo groot is dat het grenst aan het absurde voor een enkel subatomair deeltje. Het was het neutrino met de hoogste energie dat ooit door de mensheid is gedetecteerd, een boodschapper van een kosmische catastrofe van ondoorgrondelijke kracht.

Maar het echte wonder was niet alleen het deeltje; het was de machine die het opving.

Waarom het ertoe doet

De redactie van Ontsleutelen‘S Tevoorschijnkomen hebben het KM3NeT-initiatief (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) geselecteerd als Project van het Jaar 2025, omdat het een fundamentele verandering in onze relatie met de kosmos vertegenwoordigt.

Terwijl de traditionele astronomie eeuwenlang heeft gewerkt aan het verfijnen van de manier waarop we naar het universum kijken, stelt KM3NeT ons in staat de kern ervan te voelen en deeltjes te detecteren die door de materie gaan alsof het er niet is. We kozen dit initiatief niet alleen vanwege de historische bevestiging van het 220 PeV-evenement dat dit jaar werd gepubliceerd, maar ook vanwege de pure durf van de techniek ervan.

Door de afgrond van de Middellandse Zee te veranderen in het grootste laboratorium voor hoge-energiefysica ter wereld, heeft KM3NeT bewezen dat we precisie-instrumenten kunnen bouwen in de meest vijandige omgevingen op aarde om de meest ongrijpbare vragen van de Melkweg te beantwoorden. Het is een triomf van internationale samenwerking, veerkracht en visie, die wereldveranderende wetenschap oplevert voordat de bouw zelfs maar voltooid is.

De spookdeeltjesparadox

Waarom is deze machine nodig? Ten eerste moet men de paradox van het neutrino begrijpen. Neutrino’s, vaak ‘spookdeeltjes’ genoemd, zijn de op één na meest voorkomende deeltjes in het universum, alleen in de minderheid door fotonen van licht.

Ze worden veroorzaakt door kernreacties – in het hart van onze zon, bij de explosie van stervende sterren en in de gewelddadige stralen van zwarte gaten. Er gaan momenteel biljoenen ervan door je lichaam. Je kunt ze niet voelen, en zij voelen jou ook niet.

Neutrino’s hebben vrijwel geen massa en geen elektrische lading, wat betekent dat ze geen interactie hebben met elektromagnetische velden. Terwijl een lichtfoton kan worden tegengehouden door een vel papier of een muur, kan een neutrino door een blok lood van een lichtjaar dik gaan zonder te vertragen. Dit maakt hen tot de perfecte kosmische boodschappers.

In tegenstelling tot licht, dat kan worden geblokkeerd door stofwolken, of geladen deeltjes, die worden afgebogen door magnetische velden, reizen neutrino’s in rechte lijnen van hun bron naar ons. Als we ze kunnen vangen, kunnen we rechtstreeks terugverwijzen naar de motoren van het universum – supernova’s, blazars en botsende neutronensterren – en precies zien wat er binnenin gebeurt.

Maar hun grootste kracht is ook hun grootste fout: omdat ze met niets interacteren, zijn ze vrijwel onmogelijk te vangen. Om er zelfs maar een handjevol van te kunnen detecteren, heb je een doelwit van enorme omvang nodig: een ‘net’ dat zo groot is dat, puur volgens de waarschijnlijkheidswetten, een neutrino uiteindelijk tegen een atoom daarin zal botsen. Je hebt ook totale duisternis nodig om de zwakke vonk te zien die de botsing veroorzaakt. Het bouwen van een detector van die omvang op land is onbetaalbaar en technisch onmogelijk.

Daarom besloten de natuurkundigen van KM3NeT een detector te lenen die de natuur al had gebouwd: de oceaan.

De onderwaterkathedraal

Het uitgangspunt van KM3NeT is elegant in zijn eenvoud, maar brutaal in zijn uitvoering. Wanneer een hoogenergetische neutrino uiteindelijk tegen een atoomkern in het water botst, vernietigt hij de kern en ontstaat er een regen van secundair geladen deeltjes, zoals muonen.

Deze deeltjes schieten sneller door het water dan het licht zich in datzelfde medium kan verplaatsen (hoewel nog steeds langzamer dan de lichtsnelheid in een vacuüm). Dit doorbreken van de ‘lichtbarrière’ creëert een schokgolf van blauw licht die bekend staat als Tsjerenkovstraling – in wezen het optische equivalent van een sonische dreun.

De KM3NeT-infrastructuur is ontworpen om deze vluchtige blauwe gloed vast te leggen. De “telescoop” maakt geen gebruik van lenzen of spiegels. In plaats daarvan bestaat het uit honderden verticale lijnen, of ‘snaren’, verankerd aan de zeebodem en strak gehouden door ondergedompelde boeien. Aan deze snaren zijn de Digital Optical Modules (DOM’s) bevestigd: drukbestendige glazen bollen met een diameter van ongeveer 47 centimeter.

“Het mooie van een neutrinotelescoop is dat we hem niet expliciet hoeven te richten, hij zal neutrino’s uit alle richtingen opvangen; het richten gebeurt in software”, vertelde Paul DeJong, die namens het project sprak. Ontsleutelen.

DeJong, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam en senior wetenschapper bij Nikhef (Nederlands Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica), staat bekend om zijn leiderschapsrollen in grote samenwerkingen zoals het ATLAS-experiment van CERN (ontdekking van het Higgs-deeltje). Hij is ook de aangewezen woordvoerder van het KM3NeT-neutrinotelescoopproject.

Binnenin elke bol bevindt zich een wonder van miniaturisatie. Terwijl oudere neutrinodetectoren gebruik maakten van enkele, grote lichtsensoren, bevatten de DOM’s van KM3NeT 31 kleinere fotomultiplierbuizen die zijn gerangschikt als het samengestelde oog van een vlieg. Dit ontwerp met meerdere ogen geeft ze een uitzonderlijke richtingsgevoeligheid en stelt ze in staat onderscheid te maken tussen een echt neutrinosignaal en de achtergrondruis van bioluminescente zeedieren of radioactieve kaliumzouten die van nature in zeewater aanwezig zijn.

De schaal is moeilijk te visualiseren. De detector is geen enkel vast object, maar een schaars woud van sensoren verspreid over een kubieke kilometer water. Het is een kathedraal die is gebouwd van niets anders dan kabels, glas en de zee zelf: groter dan de Burj Khalifa, maar toch volledig onzichtbaar vanaf de oppervlakte.

Een verhaal over twee telescopen

Het initiatief bestaat eigenlijk uit twee afzonderlijke detectoren, elk afgestemd op een andere frequentie van het kosmische orkest.

De eerste, gelegen voor de kust van Toulon, Frankrijk, heet ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss). Hier zijn de sensoren stevig op elkaar gepakt. Het is de taak van ORCA om neutrino’s met lagere energie te vangen die vanaf de andere kant door de aarde zijn gereisd.

Door te bestuderen hoe deze neutrino’s van “smaak” veranderen – een kwantummechanische vormveranderende truc – terwijl ze door de mantel van onze planeet gaan, wil ORCA het probleem van de “massahiërarchie” oplossen: bepalen welke van de drie soorten neutrino’s de zwaarste is. Dit klinkt abstract, maar het antwoord bevat de sleutel tot het begrijpen waarom het universum uit materie bestaat en niet uit antimaterie.

De tweede detector, en de locatie van de recente recordbrekende ontdekking, is ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Gelegen in de diepere wateren bij Capo Passero, Italië, is ARCA de reus. De sensoren zijn ver uit elkaar geplaatst om een ​​enorme hoeveelheid water te monitoren. ARCA is de echte ‘telescoop’, ontworpen om monsters met ultrahoge energie te vangen die uit de verre ruimte komen.

De doorbraak van 220 PeV

De wetenschappelijke gemeenschap was eerder dit jaar onder de indruk toen de KM3NeT-samenwerking hun analyse publiceerde van de gebeurtenis die nu bekend staat als KM3-230213A. Om 220 PeV in perspectief te plaatsen: typische neutrino’s van de zon arriveren met energieën in het bereik van mega-elektronvolts (MeV). Een PeV is een miljard keer energieker dan dat. Het door ARCA gedetecteerde deeltje droeg evenveel kinetische energie als een professioneel bediende tennisbal, allemaal verpakt in een subatomair punt dat kleiner is dan een atoom.

Deze detectie bevestigde wat theoretici al lang vermoedden maar niet konden bewijzen: dat het universum natuurlijke deeltjesversnellers bevat die veel krachtiger zijn dan de Large Hadron Collider. Terwijl de Collider draait op kilometers aan magneten en elektriciteit, draaien de bronnen van deze neutrino’s op zwaartekracht en magnetische turbulentie op galactische schaal.

De gebeurtenis van 220 PeV vond waarschijnlijk zijn oorsprong in een blazar: een superzwaar zwart gat dat een straal plasma rechtstreeks op de aarde afvuurde. De detectie heeft effectief de grenzen van het standaardmodel van de deeltjesfysica verlegd, waardoor ons begrip van hoe hoog energie kan gaan voordat de wetten van de natuurkunde een snelheidslimiet opleggen, op de proef wordt gesteld.

Engineering van het onmogelijke

Het succes van KM3NeT is een overwinning voor de natuurkunde. Het inzetten van deze lijnen is een logistiek ballet. Elke draad wordt in een compact bolvormig lanceerframe gewikkeld, door een gespecialiseerd schip op de zeebodem neergelaten en vervolgens akoestisch getriggerd om zich te ontvouwen, waarbij het honderden meters de waterkolom in stijgt.

De uitdagingen zijn meedogenloos. De druk op deze diepten bedraagt ​​350 atmosfeer. Het zoute water is zeer corrosief. De elektronica moet tientallen jaren autonoom functioneren zonder onderhoud, omdat je niet zomaar een duiker naar beneden kunt sturen om een ​​zekering te vervangen. Het team moest nieuwe glasvezeldatatransmissiesystemen ontwikkelen om terabytes aan ruwe data in realtime van de zeebodem naar kuststations te sturen.

Begin 2025 kreeg de ARCA-locatie te maken met een stroomstoring in het zeebodemnetwerk; een tegenslag waarvoor een complexe robotinterventie nodig was om deze te verhelpen. Ondanks deze hindernissen blijft het team onverschrokken.

“De technologie is bewezen, maar de detector is nog niet af”, gaf DeJong toe. “Op dit moment is ongeveer 25% van de beoogde detectorelementen ingezet… maar het daadwerkelijk voltooien van de detector zal een aanzienlijke klus zijn.”

De tijdlijn weerspiegelt de omvang van de taak, gericht op 2030 voor ORCA en 2031 voor ARCA.

“Grootte is belangrijk voor het vangen van ongrijpbare neutrino’s, dus we hebben dat extra volume nodig”, zei DeJong. “De moeilijke omstandigheden zo diep in de zee blijven een uitdaging.”

Het nieuwe tijdperk van de astronomie

Nu 2025 ten einde loopt, groeit KM3NeT nog steeds. Zowel in Frankrijk als in Italië worden nieuwe lijnen ingezet. Maar het heeft zijn belofte al waargemaakt. We zijn overgegaan van een tijdperk van puur visuele astronomie naar ‘multi-messenger’-astronomie. We kunnen nu met telescopen een ster zien ontploffen, de rimpeling in de ruimtetijd voelen met zwaartekrachtgolfdetectoren en de spookdeeltjes vangen die het toneel ontvluchten met neutrinojagers.

“Ik zou graag neutrino’s willen zien uit bronnen die ook andere soorten straling uitzenden, bijvoorbeeld gammastraling of zwaartekrachtgolven”, zegt DeJong, kijkend naar de toekomst. “De combinatie van alle informatie zal ons echt in staat stellen vooruitgang te boeken in het begrijpen van het universum.”

Het KM3NeT Initiative herinnert ons eraan dat we, om de verste uithoeken van de hemel te kunnen zien, soms diep in de afgrond moeten kijken. Het herinnert ons ook aan onze eigen intieme verbinding met die verre hemelse gebeurtenissen.

Zoals DeJong opmerkt: “We zijn letterlijk sterrenstof! Is dat niet een fantastisch concept?”