Fysicus Ernst-Jan Buis hoopt met speciale onderwatermicrofoons in de zee het geplof vast te leggen van inslaande neutrino’s, de meest ongrijpbare deeltjes uit de natuurkunde. Moeten de lokale walvissen er niet te hard doorheen tetteren.
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Honderdquadriljard, een 1 met 29 nullen: zoveel neutrino’s vliegen er elke seconde door planeet aarde. Het is een grotendeels onopgemerkt kosmisch bombardement op duizelingwekkende schaal. Neutrino’s zijn namelijk de meest ongrijpbare deeltjes uit het natuurkundig lexicon. Ze passeren vrijwel geheel ongezien. Zelfs als ze door je lijf knallen – en dat doen ze, op bijna net zulke grote schaal – voel je er niets van.
Slechts heel af en toe klappen ze, puur per toeval, op een atoomkern. En nog iets minder vaak nemen fysici daarvan de gevolgen waar.
Dat werkt als volgt. Bij die botsing met de atoomkern komt een zogeheten muon vrij, dat op zijn beurt weer lichtflitsjes produceert wanneer deze door water beweegt. Dat is het basisprincipe dat de ambitieuze neutrinodetectors gebruiken die fysici verspreid over de aardbol hebben gebouwd. Daarvan is de Europese detector KM3NeT misschien wel het bekendste voorbeeld: met bollen vol lichtdetectors, aan lange onderwaterkabels uitgerold in het Middellandse Zeegebied, speuren die naar precies zulke lichtflitsjes.
Met succes: geregeld ziet de detector inslaande neutrino’s. Begin 2025 meldden wetenschappers zelfs dat ze met dat instrument de meest energierijke neutrino-inslag ooit hadden gezien. Puur statistisch was die vangst een pure gelukstreffer. ‘Redelijkerwijs zou je misschien wel honderd jaar moeten meten voordat je zo’n deeltje kunt zien’, zei onderzoeker Aart Heijboer van KM3NeT destijds tegen de Volkskrant.
En toch, zegt fysicus Ernst-Jan Buis, verbonden aan het Nederlandse natuurkunde-instituut Nikhef, zou hij het liefst op grote schaal nog veel energierijkere neutrino’s willen betrappen. ‘We zijn op zoek naar de meest extreem energierijke neutrino’s, omdat we alles willen weten van de versnellingsmechanismen in het heelal die deeltjes zo’n enorme vaart mee kunnen geven’, zegt hij.
Zulke deeltjes – die op hun beurt weer afkomstig zijn van extreem energierijke kosmische straling – zijn nog veel zeldzamer dan het al behoorlijk zeldzame exemplaar dat KM3NeT zag. Ze zijn zelfs zo zeldzaam dat je ze met zo’n type neutrinodetector redelijkerwijs niet zult meten.
Vandaar dat Buis een alternatieve meetmethode bedacht: geen camera’s die speuren naar lichtflitsjes, maar microfoons die kilometers onder het oceaanoppervlak luisteren naar de kleine knallen die vrijkomen wanneer het neutrino op de atoomkern botst.
Niet door de klap zelf, overigens. De atoomkern waarop het neutrino botst wordt door de inslag weliswaar verbrijzeld, maar dat kun je niet horen. Vindt die botsing echter plaats in de zee, dan zorgt de energie die plots vrijkomt bij dat proces ervoor dat het omringende water een klein beetje opwarmt, zodat een drukgolfje ontstaat – geluid dus. ‘Vergelijkbaar met de tik die je hoort wanneer je een langspeelplaat afspeelt’, zegt Buis.
En, dat is de crux: dat geluid is veel verder nog hoorbaar. Waar het lichtflitsje van een neutrinobotsing al na zo’n 100 meter wordt geabsorbeerd door het zeewater, is het geluid tot op een afstand van 1 tot 10 kilometer nog te horen, vertelt hij. Daarom kun je een veel groter gebied in de gaten houden. Hoe groter het gebied dat je volgt, hoe groter ook de kans is dat je zelfs zeer zeldzame botsingen kunt opvangen. ‘We denken dat zo’n 100 kubieke kilometer daarvoor genoeg is’, zegt Buis. En dat volume kan hij met zijn detector uiteindelijk bereiken, denkt hij.
Het is een veelbelovend concept, oordeelde de Nederlandse wetenschapsfinancier NWO. Die gaf Buis eind vorig jaar een onderzoeksbeurs om zijn plan verder tot wasdom te brengen.
‘Een heel interessant idee’, oordeelt ook Patrick Decowski van de Universiteit van Amsterdam, die net als Buis een aanstelling heeft bij Nikhef, maar niet bij het onderzoek betrokken is. ‘Er bestaan meer ideeën om zulke hoogenergetische neutrino’s te meten, maar dit idee van akoestische sensoren is van al die ideeën volgens mij op papier het gemakkelijkst uit te voeren.’
Dat komt onder meer doordat die akoestische sensoren passief werken – je hoeft ze niet aan te zetten en ze hebben geen batterijen nodig. ‘Daardoor kun je dit op grote schaal uitrollen en is het toch relatief goedkoop’, zegt Buis.
Maar waarom willen fysici überhaupt die zeldzame neutrino’s meten? ‘We hebben natuurlijk al detectoren voor laagenergetische neutrino’s, maar die vertellen maar een deel van het verhaal’, zegt Decowski. ‘De hypothese is dat we met deze nieuwe detector kunnen kijken naar stukken van het heelal die we normaliter niet kunnen zien. Het licht, de radiogolven, de geladen deeltjes die uit zulke bronnen komen kunnen we niet detecteren, die worden onderweg afgevangen of afgeremd – maar de neutrino’s bereiken ons wel.’
De bronnen zijn dan vermoedelijk behoorlijk exotische voorwerpen. Want zelfs een supernova-explosie, de krachtige klap waarbij een ster explodeert en die op zijn hoogtepunt feller schijnt dan de miljarden sterren in een geheel sterrenstelsel bij elkaar opgeteld, is niet sterk genoeg om neutrino’s te produceren met de groteske energieën die hij en zijn collega’s willen opvangen, zegt Buis.
‘Het zullen sowieso enorm spectaculaire objecten moeten zijn’, zegt hij. ‘Je kunt dan bijvoorbeeld denken aan blazars.’ Wat voor de leek klinkt als een betovering uit een fantasyverhaal, is in werkelijkheid de term die fysici en astronomen hanteren om reusachtige sterrenstelsels te beschrijven waar in het binnenste een buitengewoon actief, superzwaar zwart gat schuilt – een voorwerp waarvan de zwaartekracht zo krachtig is dat voorbij een kritiek punt niets nog aan zijn aantrekking kan ontsnappen, zelfs het licht niet.
‘Dit soort blazars nemen heel veel sterrenstof tot zich. Maar veel details over hoe ze werken, hebben we nog niet. We willen over dit soort objecten dolgraag meer te weten komen’, zegt Buis.
Zijn detector biedt mogelijk uitkomst. Zwarte gaten zijn namelijk rommelige eters. Terwijl ze het omringende materiaal uit het sterrenstelsel verorberen, komt er ook van alles naar buiten, dat wegschiet met bijna de lichtsnelheid. Wanneer deze zogeheten jets, die behoren tot de meest energierijke dingen in het heelal, richting de aarde wijzen, kan de akoestische detector van Buis de neutrino’s die daardoor onze planeet bereiken, wellicht meten.
Dat is bovendien niet alleen handig voor blazars. Ook andere extreme bronnen die theoretici al kennen, of, voor fysici nog spannender: nog totaal onbekende bronnen van dit soort hoogenergetische neutrino’s, kunnen op soortgelijke wijze binnen het bereik van de detector komen.
Althans: als het plan van Buis de laatste technische horden weet te nemen. Zo moeten zijn akoestische detectoren – hydrofoons, zegt Buis – onder meer heel gevoelig zijn om de op zichzelf zeer zwakke geluidssignalen van de neutrino-inslagen te kunnen detecteren. En, dat ook: ze moeten het aantoonbaar doen, ook als ze jarenlang achter elkaar op een fikse diepte in de zee hangen.
De afgelopen jaren heeft Buis veel van deze voorwaarden kunnen afvinken in experimenten, zo schreef hij halverwege 2025 nog met collega’s in het vakblad Astroparticle Physics. Daarom is het nu tijd voor de volgende stap, zegt hij: testen in het echt.
Hoewel zijn neutrinodetector daarvoor in zee wordt geplaatst, gaat hij zijn hydrofoons overigens niet tussen de bollen van de al bestaande KM3NeT-detector hangen. ‘We gaan echt heel andere metingen doen en die zijn niet compatibel met elkaar. Ik moet de geometrie van zo’n akoestische detector op een andere manier optimaliseren, dus we gaan daarvoor een eigen detector bouwen.’
Het begin, de eerste testopstelling, zal nog relatief kleinschalig zijn. In totaal is Buis van plan zo’n vijftig hydrofoons in zee te hangen, voor de Franse kust, in de buurt van KM3NeT. Neutrino’s gaat hij daarmee nog niet meten, daarvoor is de opstelling te klein, zo verwacht hij. ‘Tenzij we extreem veel geluk hebben.’
Toch kan hij met zo’n opstelling al veel van de technologie uitproberen en aantonen dat alles niet alleen in experimenten, maar ook in de praktijk werkt. ‘Een van de dingen die we gaan uitproberen, is hoe je het achtergrondgeluid vanuit de oceaan goed wegfiltert’, zegt Buis. Het meeste daarvan is te doen, verwacht hij. ‘Dit is een heel rustige omgeving. Je hebt de ruis van de golven en de wind op het zee-oppervlak, dat zich voortplant naar beneden. Je hebt de scheepvaart. Maar dat is allemaal laagfrequent geluid en kunnen we goed uitfilteren’, zegt hij.
De toonhoogte van de verwachte signalen ligt namelijk hoger. ‘We kennen alle fysica en we weten vanuit simulaties ongeveer wat voor geluid we van de neutrino’s kunnen verwachten. De toonhoogte zit ergens tussen de 5 en de 10 kilohertz. Dat is een toonhoogte waarop bijvoorbeeld ook orka’s of potvissen geluiden produceren. Dat zijn eigenlijk onze grootste vijanden.’
Hoewel, vijanden: het spreekt ook tot Buis’ verbeelding. Want deze walvissen tetteren er niet alleen doorheen wanneer zijn hydrofoons naar neutrinoplofjes speuren, hun gehoor kan diezelfde plofjes ook opvangen. ‘Er zijn dus gewoon levende wezens op aarde die ooit die tik op de langspeelplaat van zo’n neutrino hebben gehoord’, zegt Buis.
Bijkomend voordeel – niet per se voor het neutrino-onderzoek van Buis, maar wel voor de bredere wetenschap – is dat zijn hydrofoons in deze testopstelling bovendien geschikt zijn voor zeebiologisch onderzoek naar precies deze dieren. ‘Samen met zeezoogdierspecialisten van het Nederlandse zeeonderzoeksinstituut Nioz kunnen we met mijn opstelling meteen de leefomgeving van deze walvissen bestuderen’, zegt hij. Zo kunnen de biologen door het geluid van de walvissen te meten, straks de zwembewegingen van de dieren volgen en bijvoorbeeld hun jachtpatronen beter in kaart brengen.
Om op termijn, wanneer zijn hydrofoons aantoonbaar naar behoren werken, de aandacht van deze grote zoogdieren weer te verschuiven naar de wereld van kleine deeltjes met duizelingwekkende energieën, die – hopelijk – een antwoord kunnen bieden op de grootste mysteriën van het heelal.
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant