De fotosensoren van Super Kamiokande detecteren neutrino’s als lichtflitsen. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Elfduizend reusachtige oranje ogen confronteren de gelukkigen die het ondergrondse neutrino-observatorium Super-Kamiokande in Japan zijn binnengegaan – veruit de grootste neutrino-detector in zijn soort ter wereld. Een kans om deze lichtsensoren te zien is zeldzaam omdat zij gewoonlijk ondergedompeld zijn in 50.000 ton gezuiverd water. Maar een grote opknapbeurt van Super-K die in januari werd voltooid, bood een zeldzame kans om binnen te kijken in deze grote kathedraal van de wetenschap.
Voor het eerst in meer dan tien jaar, tussen juni en januari, werd het water uit de detector afgetapt als onderdeel van een opknapbeurt van 1,1 miljard yen (10 miljoen dollar). Dankzij deze opknapbeurt kan Super-K onder meer neutrino’s opsporen die worden uitgezonden door supernovae, explosies die plaatsvinden wanneer een verouderende ster onder zijn eigen gewicht instort. Astronomen willen deze gegevens om de geschiedenis van supernovae in het heelal beter te begrijpen – maar de neutrino’s die ze uitzenden zijn tot nu toe moeilijk te detecteren.
“Elke 2-3 seconden gaat er ergens in het heelal een supernova af, en die produceert 1058 neutrino’s,” zegt Masayuki Nakahata, die de leiding heeft over de Super-K, een internationale samenwerking onder leiding van Japan en de Verenigde Staten. Met de upgrade zou de detector elke maand een paar van deze ‘relikwie’ neutrino’s moeten kunnen tellen, zegt Nakahata, die natuurkundige is aan de Universiteit van Tokio.
Super-K bevindt zich 1.000 meter onder een berg in de buurt van Hida in centraal Japan. Binnenin vangen watermoleculen neutrino’s op die door de grond stromen vanuit de zon en de atmosfeer, of die worden ingestraald vanuit een deeltjesversneller honderden kilometers verderop. Later dit jaar zal het observatorium het zeldzame-aardmetaal gadolinium aan het water toevoegen. Hierdoor zal de detector veel beter onderscheid kunnen maken tussen de verschillende soorten, of ‘smaken’, van neutrino’s, en ook tussen hun antideeltjes, antineutrino’s.
In 1987 ontdekte de Kamiokande-detector, de kleinere voorganger van Super-K, de eerste neutrino’s van een supernova. Het dozijn neutrino’s was afkomstig van Supernova 1987A, die plaatsvond in de Grote Magelhaense Wolk, een klein melkwegstelsel dat om de Melkweg draait. Mede voor die ontdekking kreeg hoofdexperimentator Masatoshi Koshiba in 2002 de Nobelprijs voor natuurkunde. Maar sindsdien zijn er geen neutrino’s meer in verband gebracht met een supernova.
Fysicus Masayuki Nakahata in de Super-K detector.Credit: Noah Baker/Nature
De meeste neutrino’s voor zonne-energie onthullen zichzelf door met hoge snelheid een elektron van een watermolecuul af te slaan, waardoor een zwakke lichtflits ontstaat (dat is wat de ‘ogen’ van Super-K zien). Maar andere neutrino’s – en in het bijzonder de antineutrino’s die het leeuwendeel van de supernova-emissies uitmaken – botsen met een proton in een atoomkern in plaats van met een elektron. Bij deze botsing komen een neutron en een positron vrij, de antimaterieversie van het elektron. Het signaal van het positron is voor de detector moeilijk te onderscheiden van dat van een elektron van een neutrino van de zon. Maar het neutron produceert zijn eigen signatuur – een γ-straal – wanneer het door een andere kern wordt gevangen.
Nieuwe kracht
Gadoliniumkernen zijn veel effectiever dan de waterstof- of zuurstofkernen van water in het vangen van zulke verdwaalde neutronen, en de γ-stralen die zij produceren zijn voor Super-K gemakkelijker te detecteren, als een andere flits van licht. Dus wanneer een antineutrino inslaat, zal Super-K niet één flits zien, maar twee, een paar microseconden na elkaar.
John Beacom, een theoretisch astrofysicus aan de Ohio State University in Columbus, en Mark Vagins, een Super-K-experimentator nu aan het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe in Kashiwa, Japan, kwamen in het begin van de jaren 2000 op het idee om gadolinium aan Super-K toe te voegen1. Gadolinium was al gebruikt in kleinere neutrino-experimenten, maar nog nooit in een waterdetector.
“Toen we begonnen, gaf iedereen met wie we spraken ons een lijst van tien redenen waarom het onmogelijk zou zijn,” zegt Beacom. De grootste uitdaging, zegt Vagins, was of het water van de detector continu kon worden gefilterd om onzuiverheden te verwijderen zonder tegelijkertijd het gadolinium te verwijderen. Hij leidde een tien jaar durende inspanning om aan te tonen dat het idee kon werken, waarbij een neutrinodetector van 6 miljoen dollar werd gebouwd, met de humoristische naam Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). Een cruciaal onderdeel van die inspanning vereiste de uitvinding van een nieuw type watersysteem.
In 2015 hadden Beacom en Vagins de samenwerking overgehaald om gadolinium in de volgende upgrade op te nemen. Dat deel van de opknapbeurt staat onofficieel bekend als Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), uitroepteken inbegrepen. (Net als Egads, wordt Gadzooks vaak gebruikt in super-helden strips om verrassing aan te duiden.)
Super-K is al enorm succesvol geweest. In 1998, twee jaar na het begin van de werkzaamheden, leverde de detector het eerste harde bewijs dat neutrino’s en antineutrino’s kunnen “oscilleren”, of cycleren, tussen drie smaken. De ontdekking dwong theoretici het standaardmodel van de deeltjesfysica – de verklaring van de deeltjes en krachten in het heelal – aan te passen en riep een hele reeks nieuwe vragen op. (Takaaki Kajita, die Nakahata’s collega is en de voormalige leider van Super-K, deelde in 2015 de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn ontdekking van neutrino oscillatie.)
“Super-K is net zo invloedrijk geweest op de deeltjesfysica, zo niet invloedrijker, dan LHC, de collider bij CERN die het Higgs-boson ontdekte,” zegt Janet Conrad, een neutrino-fysicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.
“Ik ben dolblij dat Super-K nu met gadoliniumdoping aan de gang gaat. Ik vind de fysica erg opwindend,” zegt Conrad. “Ik ben ook blij voor mijn vrienden Mark Vagins en John Beacom. Er waren veel mensen die zeiden dat dit om allerlei redenen niet mogelijk was.”
Hyper-K
Zelfs terwijl Super-K opnieuw begint, dringen Japanse natuurkundigen aan op een nog grotere broer of zus, genaamd Hyper-Kamiokande. De universiteit van Tokio heeft haar gewicht in de schaal gelegd voor het project van 55 miljard yen, en onderzoekers wachten nu af of de nationale regering het zal financieren. Een beslissing wordt in augustus verwacht.
“We streven ernaar om over twee jaar met de bouw van Hyper-K te beginnen, en dan in 2027 of zo in bedrijf te gaan,” zegt projectleider Masato Shiozawa, een natuurkundige aan de universiteit en al lange tijd lid van de Super-K-samenwerking.
Hyper-K’s tank zou 260.000 ton water bevatten, meer dan vijf keer zoveel als die van Super-K’s. Door zijn enorme afmetingen zou hij veel effectiever supernovae kunnen opsporen, maar hij zou ook een ander kosmisch mysterie moeten kunnen onderzoeken: waarom het heelal voornamelijk uit materie lijkt te bestaan en weinig antimaterie.
Een cruciale stap om dit verschil te begrijpen, zeggen theoretici, is het meten van een asymmetrie tussen neutrino’s en antineutrino’s, met name een verschil in de snelheid waarmee antineutrino’s hun drie smaken doorlopen, vergeleken met die van neutrino’s. Super-K heeft al sterke aanwijzingen voor zo’n verschil gezien, met behulp van neutrino’s die door de aardkorst zijn geschoten vanuit een deeltjesversneller, maar Hyper-K zou in staat zijn om veel nauwkeurigere metingen te doen.