5 minuten lezen 

 

Kosmische straling is nu ongeveer een eeuw bekend, de ontdekking van de neutrino is in de jaren veertig/vijftig gedaan. Kosmische straling is een verzamelnaam voor straling uit de ruimte. Neutrino’s vormen een subset, waarvan nu duidelijk is dat het geen straling is, maar elementaire deeltjes vanuit het heelal. De kennis over neutrino’s is flink gevorderd. Momenteel kan men neutrino’s via hydrofoons en akoestische telescopen horen en onderzoeken. Recente technische ontwikkelingen maken dit mogelijk.

 

In 1911 ontdekte de Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess het fenomeen kosmische straling, waarvoor hij in 1936, samen met Carl David Anderson, de Nobelprijs ontving. Ten tijde van de ontdekking van kosmische straling, werkte hij bij het Institut für Radiumforschung und Kernfysik in Wenen.

Hess deed onderzoek tijdens ballonvluchten, waarbij hij een ioniserende straling ontdekte die, naarmate verder verwijderd van de aarde, steeds sterker werd, waardoor hij kon vaststellen dat deze straling vanuit de kosmos kwam. Daarna duurde het nog decennia voor hij erachter kwam dat het geen straling betrof maar een bombardement met heel snelle deeltjes met een onvergelijkbaar grote energie, en dat dit elementaire deeltjes moesten zijn van een aflopende kernreactie van een ster.

 

Huidige kennis van kosmische stralen

Op dit moment onderscheidt men in kosmische straling drie deeltjes:

  • de foton: licht
  • de proton: een zwaar kerndeeltje met een elektrische lading
  • de neutrino: een heel licht deeltje en het enige deeltje dat niet gestopt wordt in het universum, zodat men deze deeltjes op aarde kan detecteren.

Voor het meten van deze deeltjes is een groot volume nodig, omdat er anders te weinig kans is op interactie met een neutrino om meetbaar te zijn. Voor het doen van deze metingen zijn akoestische telescopen nodig voor meting in de kosmos en hydrofoons voor metingen in water, bijvoorbeeld in de diepzee, waar een groot volume beschikbaar is voor metingen.

 

Mogelijkheden voor meting neutrino’s

Voor deze metingen zijn de technische mogelijkheden in de voorbije periode sterk toegenomen, bijvoorbeeld door de ontwikkeling van de neutrino-telescopen, optische glasvezel en hydrofoons.

 

 

HydrophoneHydrophone landscape (TNO) 

 

 

Plaatsen waar deze metingen gedaan worden, of gepland zijn, bevinden zich bijvoorbeeld in de Middellandse Zee in de buurt van Griekenland, waar men met een duizendtal hydrofoons en glasvezeltechnologie een groot netwerk (tenminste 1000 km2) gaat aanleggen, waardoor men neutrino’s met de allerhoogste energie zou kunnen detecteren. Maar dit zou ook op andere plaatsen in de diepzee mogelijk zijn, mits de infrastructuur hiervoor daar kan worden aangebracht.

Conventionele telescopen zijn onder andere te vinden in Drenthe; op de Pampa in Argentinië en in het International Space Station I.S.S. Maar zij zijn niet gespecialiseerd in neutrino’s en meten alle kosmische straling zonder goed onderscheid tussen de deeltjes te kunnen maken.

Een telescoop in de diepzee meet alleen neutrino’s omdat alle straling (behalve de neutrino’s zelf) is geabsorbeerd door de atmosfeer en de bovenlaag van de zee. Deze telescopen werken niet op basis van geluid; dat is uniek aan de nieuwe neutrino-telescoop. In Japan in Kamioka staat de experimentele neutrino-telescoop genaamd Kamiokande.

 

Technologische ontwikkelingen

De hydrofoon bestaat uit een membraantje op fiber, dat wanneer er een neutrino op komt een mini-golflengteverschuiving geeft, waardoor men zelfs milli-pascal[i] kan meten. Zo’n neutrino-interactie met een hydrofoon geeft een klikje, een beetje lijkend op de clicks van dolfijnen en potvissen.

Conventionele hydrofoons zetten het geluid van een neutrino-interactie om in elektriciteit, maar een nieuwe alternatieve technologie is op basis van glasvezel. Met deze technologie wordt geluid omgezet in een verschuiving van de golflengte van licht dat door de glasvezel gaat. Deze golflengteverandering kan op grote afstanden gemeten worden (als de glasvezel maar lang genoeg is). Zodoende kan er een groot netwerk gerealiseerd worden

Deze technologie die zulke gevoelige interacties meetbaar maakt, is ontwikkeld door TNO en ook door hen getest en zal een spin-off krijgen naar de medische wetenschap.

 

Ernst-Jan Buis, onderzoeker

Ernst Jan Buis

 

Buis: 'We doen een parallel studie om vergelijkbare akoestische technologie te ontwikkelen voor medische toepassingen. We gaan uitzoeken of we akoestisch kunnen bepalen hoeveel straling een patiënt heeft gekregen tijdens een radiotherapeutische behandeling. Hiervoor hebben we dit jaar (samen met TU Delft en HPTC (High performance technical computing)) een NWA (Nationale wetenschapsagenda) beurs gekregen.'

Samenvattend kan men stellen dat een ontdekking van een eeuw geleden tot veel nieuwe kennis en nieuwe ontwikkelingen heeft geleid en dat het erop lijkt dat we nog een schat aan nieuwe kennis op dit terrein kunnen verwachten. De wetenschappers denken dat hun onderzoek veel nieuwe fundamentele fysische kennis zal opleveren, maar eveneens heel praktische toepassingen van de door hen ontwikkelde technologie. Ik ben heel benieuwd naar de ontwikkelingen die we de komende tijd zullen gaan zien.

 

Ernst-Jan Buis is onderzoeker natuurkunde/sterrenkunde, TNO. Gastonderzoeker NIKHEF[i].

 

[i] Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica in Nederland

[i] 1duizendste pascal