Het onzichtbare zichtbaar maken 

Een telescoop bestaande uit een kubieke kilometer zeewater is het project waar prof.dr. Maarten de Jong zich mee bezighoudt. Hij bedacht een methode om de telescoop nog efficiënter te gebruiken. Vrijdag 4 april houdt hij zijn oratie.

Maarten de Jong: 'In het bijzonder boeien de experimenten me.'

Elementaire deeltjes
Al sinds het begin van zijn studie was De jong gefascineerd door de elementaire deeltjes waaruit de materie is opgebouwd. 'Hoe meer je over die deeltjes nadenkt hoe elementairder het wordt', vertelt hij. 'Van atomen via atoomkernen naar protonen en uiteindelijk quarks. In het bijzonder boeiden de experimenten me. Het onderzoek naar de elementaire deeltjes en gekoppeld daaraan de fundamentele krachten die in de natuur een rol spelen.' Hij was dan ook bijzonder blij dat hij voor zijn promotie drie jaar op het CERN in Geneve kon werken. Intussen is hij al weer tien jaar verbonden aan het Nikhef in Amsterdam.

Neutino's
Later richtte De Jong zich meer op neutrino's en hun wisselwerking met de materie. Neutino's zijn bijzondere, nagenoeg onzichtbare deeltjes. De Jong: 'De zwakke wisselwerking met de materie maakt ze moeilijk te detecteren. We gebruiken neutrino's nu als middel om verschijnselen in het heelal te bestuderen. Neutrino's kunnen letterlijk overal doorheen gaan en je hebt enorme telescopen nodig om ze te kunnen detecteren.'

KM3NeT
De telescoop die nu gerealiseerd wordt in de buurt van de Franse Middellandse Zeekust, is een geheel nieuwe manier om naar de kosmos te kijken, totaal verschillend van de traditionele manier. De grote telescoop bestaat uit een kubieke kilometer zeewater en heet KM3NeT (spreek uit: ka-em-drie-net), 'NeT' staat voor 'neutrino telescoop'. 'De bouw van die telescoop is ook een technische uitdaging die we tegenwoordig aankunnen.'

Zeewater
Neutrino's kunnen niet rechtstreeks worden waargenomen. Ze moeten eerst een interactie aangaan met materie en vervolgens worden ze getransformeerd tot een ander deeltje, een muon - een zwaar elektron - dat wel waargenomen kan worden. Het muon kan door het zeewater zichtbaar gemaakt worden. De Jong: 'Een muon beweegt door het zeewater met de lichtsnelheid. Dan gaat hij feitelijk sneller dan het licht, want de snelheid van licht wordt in water gereduceerd. Er ontstaat dan een elektromagnetische schokgolf, vergelijkbaar met de geluidsbarrière. Het licht van die schokgolf kunnen we detecteren.'
Het zeewater heeft een paar grote voordelen: het is gratis en het is transparant. Dat maakt het mogelijk om het licht op relatief grote afstanden van het spoor dat het muon trekt, te detecteren met zeer gevoelige camera's.

Daglicht
Het gebied van de kubieke kilometer zeewater bevindt zich tweeënhalf tot vijf kilometer onder de oppervlakte. Op die diepte is er geen vervuiling van daglicht meer. 'Het hele gebied is afgebakend met een grid van zeer gevoelige camera's die om de honderd meter zijn aangebracht', vertelt De Jong. We kunnen met de nauwkeurigheid van nanoseconden de aankomst van het licht op de sensors registreren.' Omdat het zeewater natuurlijk niet stil staat, bewegen de camera's ook. Die bewegingen worden echter gecompenseerd door met akoestische signalen heel precies bij te houden waar elke detector zich op welk moment bevindt. Een technisch hoogstandje.

Het grid van zeer gevoelige camera's van de zeewatertelescoop Antares. Antares is een veel kleinere voorloper van KM3NeT, maar werkt volgens hetzelfde principe.

Driedimensionaal
Omdat de telescoop driedimensionaal is hoeft hij niet gericht te worden op een bepaalde plek aan de hemel. Toch is de innovatie van De Jong juist wel gebaseerd op het 'richten' van de telescoop. 'Het klinkt paradoxaal maar de truc die ik heb bedacht is slechts één specifieke kant op te kijken in plaats van naar alle kanten tegelijk. Dat heeft te maken met de manier waarop je de gegevens verwerkt. Ik kan daardoor de gevoeligheid van de telescoop met een factor twee tot vijf vergroten.'

Animatie van de detectie van een muon in de telescoop van zeewater, Antares. Meer animaties op de website van het Nikhef.

Kosmische straling
Naast daglicht is er nog meer ruis die De Jong liever niet ziet: de kosmische straling die altijd en overal aanwezig is, veroorzaakt het ontstaan van muons in de atmosfeer. Deze muons laten ook een spoor achter in de telescoop. Muons kunnen echter niet onbeperkt door materie reizen zoals neutrino's. Daarom werkt de aarde zelf als een goed filter voor de kosmische straling. Lichtsporen van muons die vanaf de zeebodem opstijgen moeten afkomstig zijn van neutrino's die een interactie met het zeewater zijn aangegaan, nadat ze door de aarde heen gereisd zijn. Muons die van boven komen, kunnen afkomstig zijn van neutrino's maar ook van de kosmische straling.

Andere signalen
Wat denkt De Jong dat hij zal gaan zien met de telescoop? 'Ik wil niet alleen maar kijken naar elektromagnetische straling - zichtbaar licht, maar ook ultraviolet en röntgenstraling - zoals in de traditionele astronomie gebeurt. Dat is toch beperkt. Je ziet maar een gedeelte van wat er gebeurt, namelijk alleen de elektromagnetische kracht. Een manier om de processen die zich in de kosmische bronnen afspelen te kunnen bestuderen is door ook naar andere signalen te kijken dan alleen elektromagnetische straling. Door de richting van de neutrino's terug te volgen kun je de precieze plaats van de bron vinden. Elektromagnetische straling wordt onder invloed van magnetische velden tussen de bron en de aarde afgebogen, maar neutrino's gaan altijd rechtdoor en magnetische krachten hebben er geen invloed op.'

Oratie 4 april, 16.00 uur
Prof.dr. Maarten de Jong
Titel: Het standaardmodel en de kenniseconomie

(1 april 2008/SH)