Grootste observatorium ter wereld neemt meest energierijke deeltjes uit het heelal waar
Tijdens een wetenschappelijke bijeenkomst op 10 en 11 november 2005 in Malargüe in de Pampa Amarilla in het westen van Argentinië vindt de opening plaats van het Pierre Auger Observatorium. Dit is een internationaal project om deeltjes met extreem hoge energie afkomstig uit het heelal te meten. De meetopstelling heeft een oppervlakte van 3000 km2 , vergelijkbaar met dat van de provincie Utrecht, en is daarmee veruit de grootste detector, die ooit gebouwd is. De speurtocht naar de oorsprong van deze kosmische deeltjes met een extreem hoge energie, waarvan het bestaan bekend is sinds het midden van de vorige eeuw, vormt de heilige graal in het nieuwe vakgebied van de astrodeeltjesfysica, dat zich beweegt op het grensvlak tussen sterrenkunde en natuurkunde. Nederland is een van de 15 internationale partners in het observatorium. In ons land leveren onderzoekers en technici van de Stichting Astronomisch Onderzoek in Nederland (ASTRON), het instituut voor Mathematica, Astrofysica en Deeltjesfysica (IMAPP) van de Radboud Universiteit Nijmegen, het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen, en het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-energiefysica (NIKHEF) in Amsterdam een bijdrage aan het observatorium. Metingen aan deze extreem energierijke deeltjes zullen een waardevolle aanvulling betekenen op experimenten in de grootste deeltjesversnellers op aarde en een bijdrage leveren aan het snelgroeiende nieuwe vakgebied van de astrodeeltjesfysica.
Lawine van secundaire deeltjes
De Franse onderzoeker Pierre Auger ontdekte in 1938 dat kosmische deeltjes die onze dampkring binnendringen en daar botsen met moleculen in de lucht een lawine aan secundaire deeltjes produceren. Hoe hoger de energie van het oorspronkelijke deeltje, hoe omvangrijker de lawine en hoe groter het gebied waarover de secundaire deeltjes worden verspreid. Uit de aard en de verspreiding van de secundaire deeltjes kan de energie van het oorspronkelijke deeltje worden gereconstrueerd. De afgelopen veertig jaar is twintig keer een deeltje geregistreerd met een energie van 1020 elektronvolt (eV). Deze energie is vele ordes hoger dan de energie die bij de grootste deeltjesversnellers op aarde bereik zal worden. Hoewel er een aantal speculaties bestaat over kosmische versnellers, begrijpen onderzoekers nog niet goed hoe een deeltje aan een dermate hoge energie kan komen. Ook is het onduidelijk om wat voor deeltjes het precies gaat.
Om de lawine aan secundaire deeltjes waar te nemen zijn grote detectoren nodig. De energierijke secundaire deeltjes produceren in water lichtsporen (zogeheten Cherenkovstraling) en veroorzaken in de lucht een zeer zwakke fluorescentie van stikstofmoleculen. Het Auger Observatorium is toegerust om deze beide verschijnselen te meten. Verspreid over een gebied zo groot als de provincie Utrecht staan 1600 watertanks waarin de Cherenkovstraling wordt geregistreerd. De lucht boven het gebied wordt bewaakt vanuit vier gebouwen, waarin krachtige fotomultipliercamera's staan opgesteld, die in maanloze nachten de zeer zwakke stikstoffluorescentie fotograferen. Naar verwachting zal het observatorium per jaar ongeveer 30 deeltjeslawines moeten kunnen waarnemen die het gevolg zijn van deeltjes van meer dan 1020 eV; dat is dus per jaar evenveel als het totaal van de afgelopen 40 jaar! De combinatie van deze beide technieken stelt de onderzoekers ook in staat de oorspronkelijke richting van deze deeltjes nauwkeurig te reconstrueren. Met deze goede resolutie hoopt men eventuele puntbronnen in het heelal te kunnen traceren. Omdat het observatorium ook iets minder energierijke deeltjes zal meten, zal het mogelijk worden een goed beeld te krijgen van de energieverdeling van de kosmische straling boven circa 5x1019 eV. Met behulp van deze metingen zullen sterrenkundigen antwoord kunnen gaan geven op vragen als wat de aard van deze deeltjes is, waar ze vandaan komen en hoe ze deze extreem hoge energie verkrijgen, terwijl natuurkundigen de metingen kunnen gebruiken om modellen te toetsen voor elementaire-deeltjesfysica bij een energie die vele malen hoger is dan de nieuwe deeltjesbotser LHC bij CERN kan halen.
Sinds kort neemt Nederland - vooralsnog met een kleine bijdrage - deel aan het Auger Observatorium. Ons land produceert de elektronica voor de regeling van de elektrische voeding voor de watertanks. Deze worden van energie voorzien door zonnecellen; de tanks activeren zelf bij een 'event' hun boordcomputer en versturen daarna ook zelf via draadloze communicatie hun meetgegevens naar een centraal opslagpunt dat voor alle deelnemende onderzoekers toegankelijk is.
Met financiële ondersteuning van ASTRON, KVI, NIKHEF en de Radboud Universiteit werkt Nederland ook wetenschappelijk mee aan het Auger Observatorium. Een van de speerpunten bij dat onderzoek is het detecteren van kosmische straling met behulp van technieken afkomstig uit de radiosterrenkunde, die ontwikkeld worden voor de radiotelescoop LOFAR in Noord-Nederland. Dr. Ad van den Berg van het KVI is de Nederlandse vertegenwoordiger bij Auger, met als plaatsvervanger prof.dr. Heino Falcke van ASTRON/RU. De Nederlandse onderzoekers, verenigd in de Commissie Astrodeeltjesfysica Nederland, hopen dit onderzoek de komende jaren uit te kunnen breiden en zijn bezig financiering te verwerven voor uitvoering van een strategisch plan dat ze hebben opgesteld.
Er wordt ook op kleinere schaal op een aantal plaatsen in de wereld gemeten aan extreem energierijke kosmische deeltjes. In Nederland gebeurt dat met en door scholieren in het HiSPARC-project, een onderneming van NIKHEF, de beide universiteiten in Amsterdam, de universiteiten in Leiden, Nijmegen en Groningen, en circa 30 middelbare scholen.
Meer informatie bij dr. Ad van den Berg, KVI, telefoon (050) 363 36 29.
Meer informatie over het Auger Observatorium is te vinden op http://www.auger.org.
Beeldmateriaal staat op http://www.auger.org/observatory/image_gallery_index.html.
Informatie over HiSPARC is te vinden op http://www.hisparc.nl.
Informatie over de Comissie Astrodeeltjesfysica Nederland (CAN) en het strategisch plan voor de astrodeeltjesfysica staat op http://www.astrodeeltjesfysica.nl.
Dit is een gezamenlijk persbericht van het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen, het Instituut voor Mathematica, Astrofysica en Deeltjesfysica (IMAPP) van de Radboud Universiteit Nijmegen, de Stichting Astronomisch Onderzoek in Nederland (ASTRON) en het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-energiefysica (NIKHEF) in Amsterdam.