Duik je zo’n 100 kilometer ten zuiden van het puntje van de Italiaanse laars naar de bodem van de Middellandse Zee, dan tref je daar een bijzondere constructie aan. Tientallen omhoogstaande lijnen, elke zo’n 800 meter lang, met daaraan om de 35 meter een bol gevuld met meetapparatuur. Het doel van dit experiment, KM3NeT genaamd: neutrino’s spotten. Dat zijn bijna massaloze deeltjes die zich zó weinig van andere deeltjes aantrekken dat ze ongehinderd miljoenen jaren door het heelal kunnen reizen.

Nu moet de glorietijd van KM3NeT eigenlijk nog beginnen: zo’n 90 procent van de lijnen wordt pas de komende jaren geplaatst. Toch meldt het team achter het experiment nu al een heel bijzondere vangst: een neutrino uit het heelal dat met afstand de hoogste energie heeft tot nu toe. De vraag is alleen: waar komt dit extreme deeltje vandaan?

Kunstgreep

Neutrino’s werden in 1930 bedacht door de Oostenrijkse fysicus Wolfgang Pauli als een soort boekhoudkundige kunstgreep. Bij een bepaalde vorm van radioactief verval ontstond een negatief geladen deeltje, het elektron, dat de ene keer een andere hoeveelheid energie met zich meedroeg dan de andere keer.

Gek, want op grond van de wet van behoud van energie hadden fysici verwacht dat die waarde altijd hetzelfde zou zijn. Pauli loste dat op door een extra, niet waargenomen neutraal deeltje erbij te verzinnen dat de ontbrekende energie voor zijn rekening nam. Pauli had er een hard hoofd in dat ‘zijn’ deeltje ooit experimenteel bevestigd zou worden: „Ik heb iets afschuwelijks gedaan”, schreef hij. „Ik heb een deeltje verondersteld dat nooit kan worden gevonden.”

Daarmee onderschatte hij echter de inventiviteit van zijn experimentele collega’s. Een kwarteeuw later wisten Clyde Cowan en Frederick Reines namelijk wel degelijk als eersten neutrino’s waar te nemen, door een watertank te plaatsen naast een kernreactor, die deze deeltjes in enorme hoeveelheden produceerde.

Heel af en toe botst zo’n neutrino op een atoomkern

Toch had Pauli in de basis gelijk: neutrino’s zijn extreem moeilijk te detecteren. De deeltjes trekken zich vrijwel niets aan van andere deeltjes, waardoor ze in de regel overal ongehinderd doorheen vliegen. Elke seconde schieten er bijvoorbeeld zo’n 100 biljoen door je lichaam zonder dat je daar erg in hebt. En een neutrino dat ergens in het heelal ontstaat, kan miljoenen jaren lang in een rechte lijn door de ruimte vliegen, zonder last te hebben van gas, stof, sterren, planeten, moleculen, atomen of wat dan ook.

Heel af en toe botst zo’n neutrino op een atoomkern – en van die zeldzame gebeurtenissen moet KM3NeT het hebben. Als in het deel van de Middellandse Zee dat het experiment bestrijkt zo’n neutrinobotsing plaatsvindt, ontstaan namelijk andere deeltjes, die vervolgens met extreem hoge snelheid door het water schieten. Daarbij geven deze deeltjes licht af – en elke bol aan de KM3NeT-lijnen is gevuld met 31 detectors die precies dat licht oppikken.

Dat gebeurde bijvoorbeeld op 13 februari 2023, om kwart over twee ’s nachts. Toen snelde een zogenoemd muon –een zwaar, negatief geladen deeltje– tussen de KM3NeT-lijnen door. Daarbij pikte ruim een derde van alle detectors een lichtflits op – veel meer dan eerder het geval was geweest. Nu, twee jaar later, publiceert het team achter het experiment zijn interpretatie van die meting: dat muon moet zijn ontstaan door toedoen van een neutrino afkomstig uit het heelal met een recordenergie van zo’n 220 peta-elektronvolt (PeV).

Wat wil dat getal zeggen? „Dat is ongeveer net zo veel als de energie van een pingpongbal die je van een meter hoogte laat vallen”, zegt Aart Heijboer, die de afgelopen vier jaar fysicacoördinator was van KM3NeT. Dat klinkt misschien als weinig, maar die energie was dus samengebald in een onzichtbaar klein deeltje dat zo goed als niets weegt. „En dat is best wel verbazingwekkend.” Hij maakt ook een vergelijking met de grootste deeltjesversneller ter wereld: de Large Hadron Collider bij Genève. „Die versnelt deeltjes tot 0,007 PeV. Dit neutrino had dus een energie die tienduizenden keren groter was.”

En hoe weten de onderzoekers dan zo zeker dat het door hun gemeten muon is ontstaan uit een neutrinobotsing? „Doordat dit muon bijna horizontaal binnenkwam”, legt Heijboer uit. „Daardoor zou het door honderden kilometers materie moeten zijn gereisd –niet alleen door water, maar ook door rots– voordat het het KM3NeT inschoot.” Maar, zo vervolgt hij: een muon haalt op zijn hoogst een afstand van een paar kilometer voordat het zijn energie is kwijtgeraakt. En dus is het idee dat een neutrino die lange weg door rots en zee aflegde, om vervolgens, ergens buiten KM3NeT, op een atoomkern te knallen, waar dan het waargenomen muon uit voortkwam.

Geluk

Opmerkelijk is de vondst zeker – temeer daar eerdere experimenten nooit neutrino’s met zulke hoge energieën hebben gemeten, terwijl ze daar op zich prima toe in staat waren. Neem IceCube, zegt natuurkundige Nick van Eijndhoven, die vanuit de Vrije Universiteit Brussel bij dat project betrokken is. Dat experiment houdt een kubieke kilometer aan zuidpoolijs in de gaten, momenteel een tien keer zo groot volume als KM3NeT.

En waar het KM3NeT-team minder dan een jaar aan data heeft geanalyseerd, doet IceCube al meer dan veertien jaar dit soort metingen. Dan mag het wel verrassend heten dat in al die data geen enkel neutrino te vinden is dat ook maar in de buurt komt van de genoemde 220 PeV, terwijl KM3NeT er begin 2023 vrijwel meteen een te pakken had.

Dat onderkennen de KM3NeT-onderzoekers zelf ook. Uitgaande van het uitblijven van resultaten bij hun conculega’s elders ter wereld, melden ze dat hun experiment –in zijn huidige, onvoltooide staat– maar eens in de zeventig jaar een neutrino met zo’n hoge energie zou moeten waarnemen. „Zoals wij de meting nu interpreteren, hebben we ontzettend veel geluk gehad”, zegt Dorothea Samtleben, natuurkundige aan de Universiteit Leiden en programmaleider van de neutrinogroep van het Nederlandse instituut Nikhef.

Zwart gat

Volgende vraag is dan: waar kwam dat extreme neutrino vandaan? Niet uit ons eigen sterrenstelsel, zo lijkt het. „We hebben geen astronomische bron gevonden binnen onze Melkweg in het deel van de heelal waar het neutrino vandaan kwam”, zegt Heijboer. „Bovendien zou je eigenlijk ook niet verwachten dat er in de Melkweg bronnen zijn die neutrino’s met zulke hoge energieën produceren.”

Daarmee zou het neutrino dus elders in het heelal moeten zijn ontstaan. Een optie is een superzwaar zwart gat, ergens in een ver sterrenstelsel. „Zo’n zwart gat slurpt allerlei materie op, die uit elkaar wordt getrokken”, schetst Van Eijndhoven. „Daarbij wordt ook een stroom deeltjes het heelal ingestuurd, en als die stroom naar de aarde toe wijst, heet dat een blazar.” Die versnelde deeltjes kunnen dan op hun beurt neutrino’s aanmaken – en één zo’n neutrino zou dan het exemplaar kunnen zijn dat twee jaar geleden KM3NeT op hol deed slaan, zo is de gedachte. Maar Van Eijndhoven lijkt dat niet waarschijnlijk, op basis van studies naar blazars, gedaan met IceCube. „De enige logische verklaring is volgens mij een tijdelijk verschijnsel, bijvoorbeeld een kortstondige kosmische uitbarsting.”

Een andere optie die het KM3NeT-team noemt, is dat zulke versnelde deeltjes eerst zelf een heel eind door het heelal zijn gereisd. In datzelfde heelal is bovendien overal de zogenoemde kosmische achtergrondstraling aanwezig. Als het dan tot een treffen komt tussen die versnelde deeltjes en deze achtergrondstraling, kunnen daar ook neutrino’s uit ontstaan, legt Heijboer uit. „Dat zijn de zogenoemde kosmogene neutrino’s. En die verwachten we precies bij de energie die wij voor dit neutrino hebben gemeten.”

Tot slot worden ook nóg exotischere processen bekeken, zegt Samtleben. Ze noemt donkere materie, het mysterieuze, onzichtbare spul waar vijf zesde van het heelal uit zou bestaan en dat we na een decennialange zoektocht nog steeds niet kunnen thuisbrengen. „Het zou kunnen dat het neutrino afkomstig is van een heel zwaar donkeremateriedeeltje dat ergens in het heelal is vervallen. Maar uiteindelijk hebben we het over maar één deeltje. En het is heel moeilijk om daar harde conclusies aan te verbinden.”

De komende tien jaar zal het ook wel bij één deeltje met zo’n extreem hoge energie blijven, verwacht Heijboer. „Eigenlijk is KM3NeT gebouwd voor neutrino’s met lagere energieën; dit exemplaar kwam echt als een verrassing. Maar op een gegeven moment zullen wij of andere experimenten weer iets gaan zien met net zo’n hoge energie als dit neutrino. En daar kan ik bijna niet op wachten.”