Scenario

Scenario

In 1965 publiceerden Penzias en Wilson een toevallige waarneming, die een overrompelende ontdekking bleek. Ze namen radiogolven waar uit het diepe heelal en komend van alle kanten. Radiogolven overeenkomend met het spectrum uitgezonden door een zwart lichaam met een temperatuur van 2.7K. De ‘big bang’ theorie van het ontstaan van het heelal, waarover toevallig rond dezelfde tijd gespeculeerd werd (en waar Penzias en Wilson niet mee bezig waren) was in één keer de leidende kosmologische theorie. De moderne kosmologie combineert de ‘big bang’ met inzichten uit de elementaire-deeltjesfysica en is zeer succesvol, alhoewel er ook nog veel vragen onbeantwoord blijven: zo zit de wetenschap in elkaar.

Eén van de onontkoombare voorspellingen is dat er naast de CMB (Cosmic Microwave Background) ontdekt door Penzias en Wilson, ook een achtergrond van neutrinostraling moet bestaan. Ook daar kan een temperatuur aan toegekend worden, volgens voorspelling 1.9K. Net als de fotonen van de CMB hebben de neutrino’s van deze CNB (Cosmic Neutrino Background) een heel erg lage energie. En anders dan fotonen zijn neutrino’s als zodanig al buitengewoon moeilijk te detecteren, en de moeilijkheidsgraad neemt toe naarmate de energie lager is. Onmogelijk dus, om een experiment te verzinnen dat deze neutrino’s waarneemt. Onmogelijke experimenten hebben een grote aantrekkingskracht op experimenteel natuurkundigen. En misschien is het toch niet onmogelijk de Cosmic Neutrino Background te meten. Maar er is wel verbeeldingskracht en lef voor nodig.

Bij NIKHEF woonde ik een voordracht van Chris Tully (Princeton University) bij over het onderwerp. Neem tritium, een isotoop van het eenvoudigste element dat er is, waterstof. De kern van tritium bestaat uit een proton en twee neutronen. Tritium is niet stabiel maar radio-actief. De kern vervalt onder uitzending van een elektron en een anti-neutrino naar een isotoop van helium. Maar er kan ook iets anders gebeuren: het tritium baadt, zoals alles en iedereen, in de zee van CNB neutrino’s die resteert van de big bang en zo’n neutrino kan door de tritiumkern geabsorbeerd worden. Vervolgens vervalt die dan naar helium onder uitzending van een elektron. Zonder een antineutrino uit te zenden. Dit elektron heeft een andere energie dan een elektron afkomstig van radioactief verval (dat de bij het verval vrijkomende energie moet delen met het eveneens vrijkomende anti-neutrino). Meting van het energiespectrum van de elektronen vrijkomende bij tritiumverval kan dus in principe een aanwijzing geven voor de aanwezigheid van elektronen uitgezonden na absorptie van een neutrino en dus van de aanwezigheid van een kosmisch neutrinobad, van de CNB. Magnifiek! Is het onmogelijk geachte dan toch mogelijk?

Mogelijk, maar moeilijk. Allereerst hebben we tritium nodig. Zoveel mogelijk. Minstens honderd gram, een ons, om kans te maken het gezochte signaal te zien. (De wereldvoorraad tritium is zo’n twintig kilo. Bovendien is tritium een strategisch materiaal, en de brandstof voor toekomstige fusiereactoren.) De energie van het elektron moet met grote precisie worden gemeten, om het gezochte signaal afkomstig van CNB absorptie, te meten. Het elektron mag daarom niet verstoord worden door de tritiumbron zelf: het tritium wordt gehecht aan grafeen (dit wordt afgekeken van het onderzoek naar de opslag van waterstof in grafeen voor energietoepassingen). Vervolgens wordt het uitgezonden elektron geanalyseerd in een systeem van magneetvelden en elektrische potentialen om uiteindelijk in een calorimeter geabsorbeerd te worden. Dit is gemakkelijk opgeschreven, maar de eisen aan deze meting zijn zo hoog dat jaren R&D en misschien wel onverwachte wendingen nodig zijn om zo’n opstelling te realiseren.  High tech aan en voorbij de grenzen van wat mogelijk is.

In het standaardmodel van elementaire deeltjes zijn neutrino’s massaloos. Inmiddels is experimenteel aangetoond dat neutrino’s niet (geheel) massaloos zijn. Dit roept vragen op over hun natuur: zijn het gewone deeltjes zoals het elektron of zijn ze wezenlijk anders? De CNB neutrino’s hebben een heel lage energie van één of een paar tiende milli-elektronvolts. Als ze een massa hebben die van dezelfde orde van grootte is zullen de neutrino’s heel langzaam bewegen en daarmee relatief vaak geabsorbeerd worden in het tritium-experiment. Zo geeft dit experiment ook mogelijk een antwoord op één van de prangende vragen die de deeltjesfysica op dit moment heeft: wat is de neutrinomassa? 

Wat bovenstaande illustreert is dat een toevallige waarneming van radiostraling uit de ruimte (door medewerkers van Bell labs, een laboratorium voor industriële R&D) leidde tot een interpretatie daarvan in het kader van een inmiddels breed geaccepteerd kosmologisch model: de ‘big bang’. Kosmologie en deeltjesfysica samen voorspellen het bestaan van een achtergrond van ‘koude’ kosmische neutrino’s (honderden in elke kubieke centimeter van het heelal). Tritium, een isotoop van waterstof met militaire en vreedzame toepassingen (fusiereactoren), is een mogelijk ‘detectiemateriaal’ voor deze kosmische neutrino’s. Het moet daartoe gehecht worden aan lagen grafeen (een vrij recent ontdekt materiaal, één koolstoflaag dik), dit ‘hechtingsproces’ wordt ontwikkeld om waterstof op te slaan (waterstof die bijvoorbeeld geproduceerd wordt tijdens uren met overcapacitiet van zonne-energie). Geavanceerde technieken (magneetvelden, elektrische velden, RF) worden gebruikt in ‘beyond state of the art’ opstellingen om de door het tritium uitgezonden elektronen met adequate precisie te meten: een ‘profilerende’ uitdaging voor high tech bedrijven en bedrijfjes; als bijvangst wordt misschien een bijdrage geleverd aan de meting van de neutrinomassa.

Wat ik eigenlijk wil zeggen: bovenstaand scenario had niemand kunnen verzinnen, niet in 1965, niet in 1985, niet in 2005. Alles wat nodig was en is voor deze ontwikkeling: voldoende ruimte voor getalenteerde onderzoekers en een uitstekend contact met de high tech industrie (en de daar werkzame getalenteerde onderzoekers) en een uitstekend contact tussen onderzoekers onderling: of ze nu aan waterstofopslag werken of een geschikte tritiumbron willen maken. Het is met een zekere voldoening, overigens, dat ik vaststel dat het hele spectrum aan talenten en technieken in de Nederlandse kennisinstellingen en bedrijven voorhanden is. Aan het bovenstaande project werken ze, bij mijn weten, toevallig niet, maar dat doet er niet toe. Ze werken op vergelijkbare wijze aan vergelijkbare projecten. Ze doen mee en ze lopen voorop. En zo moet het blijven.