Een telescoop van een paar kubieke kilometer

Reading time: 6 minutes

Author:

Op de bodem van Middellandse Zee wordt de komende jaren een gigantisch sensornetwerk aangelegd om neutrino’s uit alle hoeken en gaten van het heelal waar te nemen. Nederland heeft een belangrijke inbreng gehad bij het ontwerp van deze neutrinotelescoop.

Van oudsher heeft de mensheid het heelal bestudeerd met behulp van een piepklein stukje van het elektromagnetisch spectrum: zichtbaar licht. Pas in de twintigste eeuw is de wetenschap begonnen die achterstand in te halen. Radio- en röntgengolven vertellen verhalen die anders nooit aan het licht zouden zijn gekomen en zelfs andere elementaire deeltjes dan fotonen helpen tegenwoordig de geheimen van het universum te ontrafelen.

Het neutrino lijkt daarvoor op het eerste gezicht geen geschikte kandidaat. Iedere seconde passeren er miljarden van dit mysterieuze deeltje door iedere vierkante centimeter aarde zonder zich ook maar iets aan te trekken van de materie die zij ontmoeten. Een deeltje dat zo weinig interactie aangaat met de rest van het heelal laat zich natuurlijk niet eenvoudig detecteren.

Maar juist dat spookachtige maakt dat astronomen het neutrino toch graag aan hun arsenaal ‘kosmische boodschappers’ toevoegen. Van de zon, bijvoorbeeld, kan met licht alleen het oppervlak worden bestudeerd. Verder weg in het heelal komen bij astronomische gebeurtenissen fotonen vrij met zo’n hoge energie dat ze de aarde nooit bereiken omdat ze ‘reageren’ met achtergrondstraling. En voor geladen kosmische deeltjes geldt dat ze onderweg worden afgebogen door magnetische velden, waardoor hun herkomst nooit precies valt te achterhalen. Van dat alles hebben neutrino’s geen last.

Inmiddels zijn er dan ook verschillende neutrinotelescopen gebouwd: de Baikal Neutrino Telescope in het Russische Baikalmeer en de Icecube in het Zuidpoolijs. Aan een derde in de Middellandse Zee wordt – met belangrijke Nederlandse inbreng – op dit moment gewerkt: de Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3Net).

Figuur 1: In deze illustratie is een muonneutrino in de rotsen onder de detector in een muondeeltje overgegaan. Het sensornetwerk registreert de lichtkegel in het water ten gevolge van de Tsjerenkov-straling. Illustratie: KM3Net

Melkweg

De wortels van KM3Net liggen in een drietal Europese pilotprojecten voor neutrinodetectie, en dan met name in de Antares-neutrinotelescoop op de zeebodem in de buurt van het Zuid-Franse Toulon. Antares bestaat uit twaalf verankerde touwen van 350 meter lang met aan elk 75 sensormodules die de ‘lichtecho’ waarnemen wanneer een passerend neutrino een interactie aangaat met het zeewater (zie Figuur 1).

Neutrino’s kunnen alleen worden gedetecteerd wanneer zij in subatomaire reacties worden omgezet in andere deeltjes. Neutrinotelescopen detecteren zelfs deze vervalproducten niet direct, maar het lichtschijnsel dat ze afgeven wanneer ze sneller door een medium bewegen dan ‘mag’. In water is die maximumsnelheid drie kwart van de lichtsnelheid in vacuüm; alle geladen deeltjes die sneller bewegen dan dat geven licht af. Deze Tsjerenkov-straling is de reden dat neutrinotelescopen in transparante media als water of ijs moeten worden geconstrueerd.

Laten we eens een zogeheten muonneutrino volgen dat na een lange kosmische reis tegen een atoom in de zee bij Toulon botst. Er ontstaat een muon, dat met ongeveer dezelfde snelheid als het oorspronkelijke neutrino – de lichtsnelheid dus – zijn weg onder water vervolgt en daarbij Tsjerenkov-straling produceert. Om precies te zijn, ontstaat er een soort golffront van licht vergelijkbaar met een vliegtuig dat de geluidsbarrière doorbreekt. Op basis van de karakteristieken van deze schokgolf kunnen astronomen en deeltjesfysici aan wal de koers van het muonneutrino terugrekenen.

Naast muonneutrino’s zijn er nog twee andere typen neutrino’s: elektron- en tauneutrino’s, die respectievelijk tot een elektron en een taudeeltje vervallen. Deze beide deeltjes geven andere Tsjerenkov-signaturen af.

KM3Net wordt een veel grotere versie van Antares. Deze sterrenkijker komt op tweeënhalf tot vijf kilometer diepte te liggen en moet uiteindelijk meer dan twaalfduizend glazen bollen herbergen, met 31 individuele fotosensoren per bol, verdeeld over drie plaatsen in de Middellandse Zee. Als KM3Net af is, hopelijk eind dit decennium, omvat hij een paar kubieke kilometer water.

Het zeewater is nodig om de telescoop te beschermen tegen het nooit aflatende bombardement door kosmische straling, die onvoldoende wordt tegengehouden door de atmosfeer. Er zijn meer bronnen van ruis, zoals bioluminescente organismen, radioactiviteit en de zon, maar die kunnen worden geïdentificeerd op basis van het traject van het betreffende deeltje; KM3Net registreert niet slechts een lichtflits, maar construeert uit het Tsjerenkov-profiel ook de vector van waargenomen deeltjes.

Let wel, de ‘ingang’ van KM3Net is de andere kant van de aarde; de astronomen letten het meest op neutrino’s die van onderaf uit de zeebodem komen. Van waarnemingen in andere richtingen kan de herkomst niet ondubbelzinnig worden vastgesteld. KM3Net kan onder meer uitstekend gericht worden op het astronomisch erg interessante centrum van de Melkweg. In volle glorie zal het de gevoeligste neutrinotelescoop ooit worden, met de hoogste resolutie.

Figuur 2: Vereenvoudigde weergave van een digital optical module. Illustratie: KM3Net

White Rabbit

KM3Net is grotendeels ontworpen door Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica. Dezelfde mensen – elektronici, mechanici en optici – die de bekende Cern-deeltjesversneller hielpen bouwen, bogen zich over de sensorbollen, de communicatie-infrastructuur en de stroomvoorziening.

Waar een glazen bol van Antares één grote fotosensor bevatte, hebben de KM3Net-modules er 31 aan boord (Figuur 2). Ze worden op hun plaats gehouden met een 3D-geprint frame. ‘Kostentechnisch zijn meerdere sensoren per bol veel interessanter’, vertelt astroparticle physicist en programmaleider van de Nederlandse KM3Net-inbreng Aart Heijboer van Nikhef aan de telefoon. ‘We verkrijgen op deze manier tegen geringe meerkosten een drie keer zo groot sensoroppervlak en we kunnen veel meer informatie verzamelen.’

Als lichtsensoren in de bollen met een diameter van 43 centimeter dienen de bekende fotomultiplicatoren, waarin invallende lichtdeeltjes een kettingreactie van vrijkomende elektronen in gang zetten. Met de juiste versterkingsfactor kunnen zelfs individuele fotonen worden gedetecteerd. ‘Fotomultiplicatoren dateren uit de jaren vijftig, maar voor ons zat de uitdaging vooral in de voeding. Deze sensoren hebben een hoge spanning nodig en die wilden we bij zeer lage stroomsterkte leveren om het vermogensverbruik in te perken. Dat scheelt enorm in de dikte van de kabels. Daarom hebben we zelf een voedingscircuit ontwikkeld’, aldus Heijboer.

Naast de 31 optische modules hebben de bollen elektronica aan boord om hun positie en relatieve oriëntatie te meten: een kompas, een tilt-meter en een akoestisch piëzo-element dat positiebepalende pings van transponders op de zeebodem registreert. Ook is er een ledbaken dat naburige modules kan belichten ter kalibratie. Een FPGA-bordje bundelt de reeds in de individuele sensormodules gedigitaliseerde signalen samen met de positioneringsinformatie en bereidt die voor op verzending via het optische ethernetnetwerk.

Met duizenden te overbruggen kilometers vormt de bekabeling een van de grootste kostenposten voor het KM3Net-project. Heijboer: ‘Een standaard kabel uit de offshore-industrie zou veel te duur worden, dus hebben we voor maatwerk gekozen.’ De kabels bevatten twee koperen draden voor de stroom, glasvezels om de gedigitaliseerde sensorsignalen naar wal te transporteren voor verdere verwerking en olie om de diepzeedruk te weerstaan. Specialist MCAP Cable & Glassfiber Assemblies uit Raamsdonksveer moest een speciaal procedé ontwikkelen om dat soort kilometerlange kabels te produceren, maar inmiddels zijn de eerste drie gereed voor tests in de Middellandse Zee.

Voor de communicatie is het belangrijk voldoende bandbreedte ter beschikking te hebben om alle meetsignalen door te kunnen sturen, maar tevens om zo min mogelijk glasvezel te gebruiken. In KM3Net krijgt iedere sensorbol een eigen golflengte licht om te communiceren, waardoor de signalen van vele bollen door dezelfde fiber verstuurd kunnen worden. De eigen kleur is ook handig voor identificatie van de bron. ‘Probleem is wel dat we niet helemaal zeker zijn dat de lasermodules vijftien jaar lang dezelfde golflengte blijven produceren. Wij hebben daarom een mechanisme moeten inbouwen om de golflengte vanaf de wal bij te kunnen stellen.’ Iedere bol heeft uiteindelijk de beschikking gekregen over één gigabit bandbreedte – ‘Meer dan voldoende’, zegt Heijboer.

Om betrouwbare meetdata in handen te krijgen, is het ten slotte essentieel dat de klokken in alle bollen gelijklopen tot op minder dan een nanoseconde. KM3Net gebruikt daarvoor het synchronisatieprotocol White Rabbit, oorspronkelijk ontwikkeld voor de al even timinggevoelige Cern-deeltjesversneller. ‘Dat is erg in opkomst voor gedistribueerde systemen. Het werkt door tijdinformatie aan je dataverkeer toe te voegen. Dat scheelt weer veel meters glasvezel. Antares heeft nog een apart kloksysteem, met eigen fibers.’

Het enige waar geen enkele ontwerper voor honderd procent grip op kan krijgen, is de betrouwbaarheid van het systeem. Het is niet zo’n ramp als een beperkt aantal sensoren of bollen uitvalt, maar meer kan belangrijke metingen ontregelen – en eenmaal op hun plaats kunnen bollen niet meer worden gerepareerd. De elektronica is uiteraard uitgebreid getest, maar wat vijftien jaar op een paar kilometer diep in zee met materialen doet, is moeilijk te voorspellen. ‘Maar we hebben een KM3Net-testbol bij Antares ondergebracht en die doet het in ieder geval al een jaar’, vertelt Heijboer tevreden.