3.000 meter onder zeeniveau ontdekte deze UvA’er waar neutrino's vandaan komen
Zes jaar lang deed promovendus Karel Melis onderzoek naar spookachtige deeltjes, ofwel neutrino’s, die dwars door je heen vliegen. Hij ontwikkelde een methode om heel nauwkeurig te herleiden uit welke sterrenstelsel de neutrino’s komen. ‘Een van mijn professoren zei: dit gaat je nooit lukken.’
Neutrino’s zijn elementaire deeltjes waaruit de wereld is opgebouwd, zoals protonen, elektronen en neutronen. Elke seconde vliegen er miljarden neutrino’s door een oppervlak ter grootte van je duim. Ze worden overal geproduceerd, in mensen, kerncentrales, in de zon en in supernova’s, de explosie waarmee een ster sterft. Neutrino’s zijn de boodschappers van heel verre sterrenstelsels, die zo ver weg zijn dat hun licht de aarde niet bereikt. Heel af en toe botst er een neutrino op een atoomkern van een watermolecuul. Door die botsing worden andere deeltjes geproduceerd en ontstaat een lichtflitsje.
‘Als je neutrino’s wil vangen heb je een speciaal soort telescoop nodig,’ vertelt Melis, promovendus aan het Nikhef, het nationale instituut voor subatomaire fysica. ‘Hij moet in het donker staan om de lichtflitsjes te zien, heel groot zijn, omdat de neutrino’s weinig botsen en diep in de aarde staan, zodat andere deeltjes geen verstoring opleveren.’ De telescopen van het Europese samenwerkingsverband KM3NeT voldoen aan al die voorwaarden. ‘Er staan twee telescopen drie kilometer diep in de Middellandse Zee. Arca, Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss voor de Italiaanse kust kijkt naar het heelal, en Orca voor de Franse kust richt zich vooral op de eigenschappen van aardse neutrino’s.
Dure gloeilampen
Deze telescopen bestaan uit 115 lijnen met aan elke lijn 18 glazen bollen die in een grote cirkel van bij elkaar een kubieke kilometer volume op de zeebodem worden uitgezet. De glazen bollen hebben elk 31 detectoren, een soort omgekeerde gloeilampen, die licht opvangen. Via een kabel wordt deze informatie naar de kust gestuurd. Melis: ‘Een bol kost ongeveer 10.000 euro dus een lijn kost ongeveer 2 ton. Dus we zijn eerst begonnen met één lijn, inmiddels staan er zes lijnen.’ Naar verwachting staan er in 2024 115 lijnen op de zeebodem.
Melis werkte tijdens het eerste deel van zijn promotieonderzoek aan de kalibratie van de telescoop, om aan te tonen dat hij werkt zoals de onderzoekers verwachtten. Daarna begon het werk om de lichtflitsjes van neutrino’s te analyseren. Daarvoor ontwikkelde Melis een nieuwe methode. Melis: ‘Uit de data afkomstig van een lichtflitsje haal ik een kansverdeling van het type bron van het botsende neutrino. Deze kansverdeling noem ik een waarschijnlijkheidslandschap. Na een paar jaar heb ik een paar honderd lichtflitsjes en dus een paar honderd waarschijnlijkheidslandschappen, die interessant zijn. Door deze landschappen simpel gezegd bij elkaar op te tellen kan ik een mogelijk bron aanwijzen.’
Informatie uit lichtflitsjes
De bestaande methodes om zo’n bron aan te wijzen zijn vaak geoptimaliseerd voor één type bron, en gebruiken vaak de meest waarschijnlijke afkomst. Aangenomen wordt dan dat de kans dat het neutrino toch ergens anders vandaan kwam normaal verdeeld is. Melis: ‘Ik heb laten zien dat deze aanname niet altijd geldt. Met de waarschijnlijkheidslandschappen neem ik alle mogelijke oplossingen mee in de analyse, waardoor ik de maximale hoeveelheid informatie uit elk lichtflitsje haal. Hierdoor kunnen we sneller en preciezer de bronnen van kosmische neutrino’s achterhalen.’
Dat onderzoek nam in totaal zes jaar in beslag. Niet voor niets staat er op het binnenblad van het driehonderd pagina’s tellende proefschrift: ‘Als je iets doet, moet je het goed doen’. Melis: ‘Ik was ongeveer tweeënhalf jaar bezig met de kalibratie van de detector en had aldoor het idee dat je de analyse beter met waarschijnlijkheidslandschappen kunt aanpakken. Dat besprak ik toen met de professoren uit mijn groep, waarop een van de professoren zei: “Karel, ik ben het helemaal met je eens, dat is denk ik dé manier waarop het zou moeten. Maar het gaat je nooit lukken.” Laat dat nu precies de manier zijn om mij te motiveren.’
Nu is het Melis dan toch gelukt om aan te tonen dat zijn methode gebruikt kan worden. ‘Aan de ene kant ben ik daar heel blij mee, aan de andere kant heeft het wel enorm veel werk gekost. Ook toen ik er op een gegeven moment niet meer voor betaald kreeg, ben ik doorgegaan.’
Eigenlijk was Melis van plan om altijd in de wetenschap te blijven werken. ‘Het werken met collega’s, projecten met studenten en zo’n onderwerp als KM3NeT vind ik ontzettend leuk.’ Maar voor zijn vrouw en dochtertje van vier maanden vindt hij een carrière in de wetenschap te onzeker. ‘En ik denk dat het bedrijfsleven lang niet zo erg is als er vanuit de wetenschap gedacht wordt.’
Karel Melis hoopt op 10 november te promoveren op zijn proefschrift.‘Studying the Universe from -3000m N.A.P’. De promotie begint om 11.00 uur en vindt plaats in de Aula, Oude Lutherse kerk.
Wil je meer weten over neutrino’s? Karel Melis vertelt meer in deze aflevering van de podcast Makkelijk Praten.
