Diepzee-telescoop KM3NeT detecteert neutrino met hoogste energie ooit

Een buitengewoon signaal dat overeenkomt met een neutrino met een energie van zo’n 220 PeV (220 keer 10¹⁵ elektronvolt of 220 miljoen miljard elektronvolt). Dat detecteerde de ARCA-detector van de ‘cubic kilometre neutrino telescope’ (KM3NeT) op 13 februari 2023 in de diepzee. Deze meting, genaamd KM3-230213A, is het meest energetische neutrino ooit geobserveerd. Dit levert het eerste bewijs dat neutrino’s met zulke hoge energieën geproduceerd worden in het heelal. Na langdurig en nauwgezet analyse- en interpretatiewerk van de experimentele data, publiceerde de internationale wetenschappelijke KM3NeT-samenwerking deze fantastische ontdekking op 12 februari 2025 in wetenschappelijk tijdschrift Nature.

Neutrino’s detecteren met KM3NeT

Neutrino's zijn, na fotonen, de meest voorkomende deeltjes in het universum. Toch zijn ze door hun zwakke wisselwerking met materie erg moeilijk te detecteren, en zijn er enorme detectoren voor nodig. De KM3NeT-neutrinotelescoop, die momenteel wordt gebouwd, is een gigantische diepzee-infrastructuur verdeeld over twee detectoren, ARCA en ORCA. Als de detector helemaal gereed is, zal deze een volume van meer dan een kubieke kilometer innemen. KM3NeT gebruikt zeewater als interactiemedium voor neutrino's. Wanneer een neutrinodeeltje zich door het water beweegt, kan het ‘botsen’ met watermoleculen. Bij zo’n botsing kunnen, onder de juiste omstandigheden, zogeheten ultrarelativistische deeltjes ontstaan. Deze deeltjes verspreiden daarbij Cherenkov-licht: een blauwachtige gloed die door de high-tech optische modules in KM3NeT gedetecteerd worden.

De neutrinotelescoop is nog in aanbouw, en dat geeft de ontdekking extra glans. ‘We hebben deze neutrino gedetecteerd met slechts een tiende van de uiteindelijke detectorconfiguratie. Dit toont het grote potentieel aan van ons experiment voor het bestuderen van neutrino's en voor neutrinoastronomie”, zegt Aart Heijboer, KM3NeT Physics & Software Manager ten tijde van de detectie, Nikhef-onderzoeker en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam.

Nederlandse wetenschappers en technici spelen belangrijke rol

Nederlandse wetenschappers en technici zijn nauw betrokken bij deze bijzondere ontdekking. Vanuit Nederland zijn Nikhef, NWO-I, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Leiden, NIOZ en TNO lid van de KM3NeT-samenwerking. Ze hebben verschillende leiderschapsposities binnen de samenwerking, en werken mee aan het ontwerp, de bouw en plaatsing van de detector, system engineering, softwareontwikkeling en de uiteindelijke analyse van de data. “Wat een zeer mooie observatie. Dit is veelbelovend voor de toekomst van dit onderzoeksveld. Ik kijk uit naar de komende jaren waarin KM3NeT uitgebreid wordt,” aldus Jorgen D’Hondt, directeur van Nikhef.

Ontwikkeling ‘draagraket’ door NIOZ

NIOZ-onderzoeker Hans van Haren is al vanaf het begin betrokken bij het project. ‘Het bouwen van een neutrinodetector op de diepzee vraagt natuurlijk oceanografische kennis en kunde, en dat is wat wij vanuit NIOZ bijdragen,’ legt hij uit. ‘Denk aan de invloed van stroming op de detector, of bioluminescentie van organismen in de diepzee die de detector bijna ‘verblinden’. Daarnaast hebben wij met de technici van NMF samen het systeem ontwikkeld om de lijnen met daaraan de detectoren op de juiste manier in het water te krijgen.’ De detectoren – een reeks glazen bollen aan een ‘detectielijn’ – worden in een door NIOZ ontwikkelde draagraket naar beneden gelaten. Eenmaal op de bodem komt de draagraket naar boven, waarbij de lijn met detectoren wordt afgewikkeld als garen van een klosje.

Oceanografisch onderzoek als onderdeel van KM3NeT

‘Het uitdenken en bouwen van het mechanisch gedeelte is door het NIOZ in samenwerking met Nikhef gedaan, en alle tests met prototypen zijn vanaf de Pelagia uitgevoerd,’ aldus Van Haren. Daarnaast biedt KM3NeT ook mogelijkheden voor Van Harens eigen oceanografisch onderzoek. ‘We hebben als onderdeel van KM3NeT in de buurt van de neutrinotelescoop een 3D-netwerk van 3000 gevoelige temperatuursensoren kunnen plaatsen op de bodem van de Middellandse zee. Daarmee kunnen we driedimensionale processen van brekende interne golven en turbulente mening in detail bestuderen – wat tot nu toe slechts in één richting is gemeten.’ Deze meetopstelling is begin 2024 weer omhoog gehaald, Van Haren is nu druk met de data-analyse. ‘Het is heel mooi om zo te kunnen samenwerken met wetenschappers uit een heel ander onderzoeksveld, en elkaar te kunnen versterken.’

Een uitgebreide versie van dit persbericht is te vinden op de website van Nikhef