2006-03 MIRA Ceti sprak met... Daan Hubert en Catherine De Clercq
Het was een zonnige vrijdagnamiddag in mei. De grasperken rond de gebouwen van de VUB waren rijkelijk gevuld met studenten en minder luidruchtige stervelingen die allen, in afwachting van een lekker weekendje zalig nietsdoen, aan het genieten waren van de deugddoende streling der zonnestralen.
Op dezelfde locatie vond terwijl een ononderbroken bombardement plaats van allerhande kosmische deeltjes en andere neutrino’s zoals later zou blijken en had MIRA Ceti het genoegen om aan een gezellig tafeltje te zitten met twee onderzoekers van de VUB.
Daan Hubert (26) als doctoraalstudent en professor Catherine De Clercq (55) als directeur zijn allebei verbonden aan het Interuniversity Institute for High Physics, een samenwerkingsproject van de VUB en de ULB. Zij vertelden vol enthousiasme over hun zoektocht naar donkere materie en over de wonderbaarlijke mega-instrumenten die zij daarvoor gebruiken.
Donkere materie, dat klinkt voor de modale sterveling behoorlijk raadselachtig?
Daan Hubert (DH): Het is ook raadselachtig en opwindend: het betreft niet alleen materie die donker is en die we dus niet kunnen zien, maar het gaat ook om materie van een volledig nieuwe soort! En bovendien kan op basis van recente metingen met de WMAP, een satelliet om heel gedetailleerd de kosmische achtergrondstraling te bestuderen, bepaald worden dat er vier à vijf maal minder gewone materie, opgebouwd uit protonen en neutronen, in het heelal aanwezig is dan de zogenaamde donkere materie. Dat alles maakt het zo boeiend om naar donkere materie te zoeken.
En hoe verloopt de zoektocht intussen?
DH: Die is intussen al wel ettelijke decennia aan de gang. In 1933 werd door Fritz Zwicky voor het eerst gewag gemaakt van donkere materie toen hij vaststelde dat in een cluster sterrenstelsels de individuele stelsels niet bewogen zoals mocht verwacht worden op basis van de waargenomen massa. Hij veronderstelde dat onzichtbare materie daarvoor verantwoordelijk moest geacht worden. Een andere verklaring kon natuurlijk zijn dat de wetten van de fysica zoals wij ze ons voorstellen niet kloppen. Die ideeën om de wetten van Newton aan te passen zijn trouwens springlevend bij bepaalde wetenschappers. Zo wordt b.v. het traject van de Voyagers, twee satellieten die zich intussen aan de rand van ons zonnestelsels bevinden, heel nauwkeurig gevolgd om na te gaan of er geen afwijkingen zijn die het noodzakelijk maken op zoek te gaan naar een alternatieve zwaartekrachtstheorie. Maar ondertussen is donkere materie nog op zovele andere plaatsen gevonden dat een aanpassing van de bewegingswetten van Newton op dit vlak geen bevredigend alternatief meer is: quasi alle onderzoekers zijn het er nu wel over eens dat er materie is die we niet kunnen zien en die van een compleet andere soort is. Maar wat het precies is weet niemand. Er bestaan een heleboel modellen die stellen: het is dit of dat soort deeltje. En één van die kandidaten bestuderen wij met onze onderzoeksgroep.
Abell 2218 is een mooi voorbeeld van een zwaartekrachtslens: de zichtbare en vooral onzichtbare, donkere materie heeft als effect dat de cluster sterrenstelsels zich als een soort kosmische lens gedraagt, met alle optische gevolgen van dien.
Het neutralino?
DH: Inderdaad. Het neutralino is een deeltje dat in supersymmetrische theorieën opduikt. In de jaren 1970 ontwierpen natuurkundigen een standaardmodel van fundamentele deeltjes en dat functioneert indrukwekkend goed om de fysische werkelijkheid te beschrijven. Toch zijn er in het standaardmodel nog hiaten, waardoor een aantal zaken onnatuurlijk overkomen. Daarom circuleren er nieuwe modellen, waaronder supersymmetrie. Aan het CERN in Genève wordt momenteel een grote deeltjesversneller gebouwd, de Large Hadron Collider of LHC, en we hopen dat dit reusachtige instrument ons binnen enkele jaren het bewijs zal leveren dat supersymmetrie bestaat en dat er voor elk normaal deeltje dat we kennen een supersymmetrische partner is. En één van die supersymmetrische deeltjes is het neutralino. Het is een deeltje dat niet is ontstaan vanuit het idee dat er absoluut een deeltje moet bestaan om de donkere materie te kunnen verklaren, maar het komt voort uit de theorie van de supersymmetrie zelf. Als dan blijkt dat van dit deeltje ongeveer de goede hoeveelheid aanwezig is in het heelal om de donkere materie te kunnen verklaren zonder de theorie veel aan te passen, dan is het neutralino uiteraard een aantrekkelijke kandidaat. Het is bijgevolg een populair deeltje waarnaar men veel onderzoek verricht via allerhande experimenten. Rekening houdend met het feit dat er in het heelal vijf maal meer neutralino’s zijn dan gewone materie, is er een grote kans dat in de buurt van grote massaconcentraties zoals sterren of sterrenstelsels er interacties plaatsvinden tussen gewone deeltjes en neutralino’s.
Het standaardmodel van elementaire deeltjes vertoont enkele lacunes, reden voor sommige natuurkundigen om met een supersymmetrisch model op de proppen te komen. Daarin is plaats voor een soort schaduwdeeltjes als symmetrische partners voor de gewone deelt
Waarom bevindt jullie detector AMANDA zich op de Zuidpool?
DH: Wij zoeken niet rechtstreeks naar interacties van neutralino’s met onze detector, wij zoeken eigenlijk naar neutrino’s die afkomstig zijn van de Zon. AMANDA is m.a.w. een neutrinodetector die opgesteld staat van ongeveer 800 m tot meer dan 2 km diep onder het ijsoppervlak van de Zuidpool. En van daaruit observeert hij de noordelijke hemel. Zoals geweten is er nauwelijks interactie tussen neutrino’s en gewone materie, zodat de Aarde als een natuurlijke filter kan fungeren om zo goed als alle storende invloeden van bovenaf tegen te houden behalve de neutrino’s.
En waarom geen neutralinodetector?
Catherine De Clercq (CD): Neutralino’s gaan interageren met ons zonnestelsel, en op die manier energie verliezen. Ze kunnen ingevangen worden door het zwaartekrachtsveld van het zonnestelsel, naar de Zon zinken om zich uiteindelijk op te hopen in het centrum van de Zon. Volgens dit scenario zou er dus in het midden van de Zon een enorme massa neutralino’s, d.w.z. donkere materie moeten aanwezig zijn. Via annihilatie worden neutralino’s vervolgens omgezet in energie, en daaruit ontstaan deeltjes die ons wel bekend zijn: neutrino’s met een relatief hoge energie. Met een neutrinodetector op Aarde kan je vaststellen of er een teveel aan signaal is afkomstig van de Zon bovenop wat je verwacht volgens de huidige modellen over hoe de Zon werkt. En dat is een behoorlijk uitgebreide analyse. De detector verzamelt immers heel veel gegevens, op een jaar tijd ongeveer één miljard signalen, terwijl wij zoeken naar slechts enkele signalen per jaar. En dat aantal hangt dan weer af van de supersymmetrische parameters. Maar aangezien supersymmetrie nog altijd een onbewezen hypothese is, hebben we ook geen idee van de precieze eigenschappen van die supersymmetrische wereld. Er zijn dus effectief krachtige deeltjesversnellers nodig om die parameterruimte meer nauwkeurig te kunnen bepalen. Binnen anderhalf à twee jaar starten de experimenten met de LHC, en tegen 2010-2015 moet er voldoende statistisch materiaal voorhanden zijn om zinvolle uitspraken te doen over supersymmetrie.
Amundsen-Scott South Pole Station, Antarctica, waar door een internationaal team wetenschappers allerlei onderzoek verricht wordt. In de gigantische ondergrondse neutrinodetector wordt o.a. gezocht naar de mysterieuze donkere materie.
Stel dat er in die faze bevindingen zijn in tegenspraak met de verwachtingen, dient dan zoveel jaar onderzoek in de vuilbak gekieperd te worden?
DH: Als supersymmetrie niet ontdekt wordt, zal dat alleszins een enorme verrassing zijn. Het lijkt zo voor de hand liggend dat supersymmetrie wel bestaat, het lijkt zo natuurlijk en simpel, en mensen hebben graag dat dingen simpel voorgesteld kunnen worden. Voor de vier natuurkrachten willen we er uiteindelijk maar één overhouden. Supersymmetrie is zo mooi dat het een tegenslag zou zijn mocht het niet zo zijn.
CD: Het enige wat we weten is dat neutralino’s een massa hebben die minstens dertig keer groter is dan die van het proton, omdat we met de bestaande generatie deeltjesversnellers tot dat niveau geen signaal gedetecteerd hebben. Maar er zijn qua massa vele mogelijkheden, zodat het best zou kunnen dat we in eerste instantie via de LHC geen neutralino’s waarnemen als het werkelijk om een heel zwaar deeltje zou gaan. Als we evenwel na een vijftal jaar niets gevonden hebben, moeten we ons natuurlijk serieuze vragen stellen bij de theorie: waar hebben we de verkeerde veronderstellingen gemaakt?
DH: Er zijn intussen al verscheidene wetenschappers die na vele jaren zoeken naar het neutralino er niet meer echt in geloven en alternatieve theorieën voorstellen met extra dimensies en dergelijke.
Zijn dat valabele alternatieven voor de zoektocht naar donkere materie?
CD: Zeker weten. Er zijn enorm veel exotische kandidaten om donkere materie te verklaren, het neutralino is historisch het oudste, maar de laatste jaren komen er steeds nieuwe kandidaten bij. Wij zijn b.v. in ons experiment ook op zoek naar Kaluza-Klein-deeltjes. De werkelijkheid lijkt ons te bestaan uit drie ruimtelijke en één tijdsdimensie, maar volgens een theorie op basis van de ideeën uit de jaren 1920 van twee wiskundigen Kaluza en Klein bestaan er meer dimensies die verschijnen bij hogere energieschalen. Die extra dimensies zijn bij de huidige energieën opgerold zodat wij ze niet opmerken. Een gevolg daarvan is dat alle gekende elementaire deeltjes in verschillende Kaluza-Klein-toestanden kunnen voorkomen, waarbij de massa van die deeltjes afhangt van de Kaluza-Klein-toestand waarin ze zich bevinden. Ook via deze weg zou dus een verklaring voor donkere materie kunnen gevonden worden.
Door de neutrinodetectoren AMANDA en IceCube op de Zuidpool te plaatsen kan gebruik gemaakt worden van de hele aardbol die zo als filter kan fungeren om vele storende deeltjes en straling tegen te houden.
Intussen wordt er op de Zuidpool hard gewerkt om de opvolger van AMANDA klaar te krijgen, de kubieke kilometer grote IceCube.
CD: Een veel groter volume garandeert meteen ook een veel hogere gevoeligheid. Nu hebben we met Amanda reeds een behoorlijk grote detector die eruit ziet als een gigantisch drankblikje, 500 m hoog en 200 m breed, en bestaat uit een rooster met daaraan negentien reusachtige snoeren waaraan in totaal 680 optische modules zijn bevestigd. En die detector is naar beneden gericht om deeltjes waar te nemen die vanaf het noordelijk halfrond komen. Nu is het zo dat neutrino’s die van de Zon afkomstig zijn – en dat is het type neutrino waar wij voor ons onderzoek in geïnteresseerd zijn – door de positie van de Zon t.o.v. de aardas min of meer horizontale sporen veroorzaken in AMANDA die een hoge maar smalle detector is. IceCube met zijn ribbe van één km zal op dat vlak een hele verbetering zijn. Anderzijds is de afstand tussen de snoeren van IceCube 100 m, dat is wel een redelijk grote afstand om efficiënt te zijn voor de detectie van deeltjes met lage massa’s. Stel dat het neutralino door de natuur toevallig een kleine massa gekregen heeft, dan zijn we eerder aangewezen op AMANDA die gevoelig is voor lage massa’s. Deeltjesversnellers zijn ook hier een goed en complementair alternatief, want die zijn ook eerder gevoelig voor lage massa’s.
AMANDA is operationeel sinds 2000, IceCube zou voltooid moeten zijn in 2011 maar het deel dat nu al klaar is levert reeds bruikbare gegevens. Jaarlijks worden er een tiental snoeren met optische modules geïnstalleerd, en dat gebeurt allemaal rond AMANDA, zodat deze eerste detector geleidelijk groter en gevoeliger wordt.
Na 2010 zouden we onze detector ook willen voorzien van akoestische detectoren. Deeltjes met hogere energie produceren immers meer druk, en aangezien een drukgolf tevens ook een geluidsgolf is, zouden microfoons het mogelijk moeten maken om hoogenergetische neutrino’s te detecteren. Bovendien reikt een geluidsgolf verder, en op die manier zouden we een detector hebben van nog meer volume die nog gevoeliger is voor deeltjes met hogere energie.
Wat na IceCube? Zijn er reeds andere projecten gepland?
CD: Men is in de Middellandse Zee bezig het project ANTARES te realiseren, een grote onderzeese detector ter grootte van AMANDA, die zou binnen een jaar of zo operationeel moeten zijn. ANTARES is bedoeld om waarnemingen te doen aan de zuidelijke hemisfeer, en dus complementair aan ons project. Een grotere versie volgt wellicht nadien: NEMO-Km3. Dit Europese project is nog niet helemaal rond, maar het is in ieder geval de bedoeling om ook in de Middellandse Zee een kubieke kilometer grote neutrinodetector te bouwen, vergelijkbaar met IceCube op de Zuidpool.
Verloopt de internationale samenwerking vlot?
CD: Er zijn vele nauwe en goede contacten met buitenlandse collega’s. Zo vindt er b.v. om de zes maanden een conferentie plaats waarbij alle betrokkenen de vooruitgang van hun onderzoek uitleggen. Ook wij zijn daar steeds present. In dat internationale gezelschap krijg je natuurlijk kritiek in alle richtingen, goed en slecht, maar je krijgt zo wel feedback op een internationaal niveau. En uiteraard is het internet een uitermate geschikt medium om voor een vlotte wereldwijde communicatie te zorgen. Binnen het domein van de deeltjesfysica en in verband met de zoektocht naar die astrodeeltjes gebeurt er dus automatisch en continu een internationale screening.
Hebben jullie soms het gevoel dicht bij een doorbraak te zitten?
Een overzichtskaart uit 2003 op basis van één jaar waarnemingen van hoogenergetische neutrino’s door AMANDA. Om donkere materie op te sporen moeten hier nog minstens twee jaar waarnemingen bijgevoegd worden en moet alle ruis weggefilterd worden.DH: Voor het moment nog niet, maar aan het einde van mijn analyses hoop ik toch wel iets bereikt te hebben. Het is dan vol spanning uitkijken naar de resultaten, waarbij ik ook zicht wil hebben op de vraag: waren we goed bezig en waren het de juiste procedures om die bepaalde resultaten te bekomen? Tot die conclusies kan je pas komen eens alle storende achtergrondruis weggefilterd is. Dan pas kan je vergelijken met gelijkaardige experimenten.
CD: Die storende achtergrond wegfilteren is natuurlijk een cruciaal punt. Want nu mag je nog trachten zo objectief mogelijk te werken, een mens blijft altijd een mens, en het is normaal dat als je iets zoekt je het ook graag wil vinden. Bijgevolg laat een mens zich soms leiden door hetgeen hij wil vinden. En dat is niet correct. We trachten dus steeds een filter te optimaliseren met een zo hoog mogelijke gevoeligheid om alleen maar gegevens te bekomen binnen bepaalde grenzen. We gaan daarbij op een blinde manier te werk, d.w.z. we doen onze waarnemingen onbevooroordeeld en pas als er een overvloed van signaal gemeten wordt, gaan we verifiëren wat daarvan de oorsprong zou kunnen zijn. Maar eens de oogkleppen afgelegd kan je niet meer op je stappen weerkeren om het filter aan te passen om nog betere of andere resultaten te bekomen. En stel dat we op die wijze een overvloed van signaal van bij de Zon zouden vaststellen, dan zou dat natuurlijk erg opwindend zijn, maar toch kunnen we dan niet zo maar meteen publiceren dat wij donkere materie gevonden hebben. Het is absoluut noodzakelijk om bij dergelijke ‘ontdekkingen’ uiterst kritisch te werk te gaan.
DH: Voordat je je wetenschappelijke reputatie op het spel zet moet je er echt wel honderd procent van overtuigd zijn dat je bevindingen echt zijn. Eind jaren 1990 was er een onderzoeksteam dat beweerde door middel van een bepaald experiment neutralino’s gedetecteerd te hebben. Maar opvolgexperimenten door andere teams om via zelfde technieken tot een zelfde resultaat te komen leverden jammer genoeg niets op. En dan zit je natuurlijk met een probleem. Daarover wordt uiteraard keihard gediscussieerd tussen alle betrokkenen. Na al die jaren beweren die onderzoekers nog steeds bij hoog en bij laag dat ze via hun detector effectief een spoor van neutralino’s gezien hebben, maar omdat de discussies volgens hen niet correct verlopen, nemen zij de laatste jaren niet meer deel aan conferenties met collega’s. Momenteel verrichten zij onderzoek met een detector die veel gevoeliger is dan de voorgaande, en intussen hebben ze al twee jaar data verzameld. We zijn echt benieuwd naar hun resultaten. Wat als zij opnieuw naar buiten komen met een spoor van neutralino’s terwijl andere onderzoeksteam niet voor bevestiging kunnen zorgen? Intussen beginnen theoretici zelf te twijfelen: misschien bestaat er een verklaring voor het feit dat het ene team wel iets ziet en het andere niet? Maar het is in ieder geval een moeilijke discussie.
Ons team van AMANDA heeft al twee keer gedacht op een mogelijk spoor te zitten, maar dan is iedereen extreem waakzaam om na te gaan of er misschien iets over het hoofd is gezien of dat er ergens een foutje is gemaakt. Uiteindelijk bleek het in beide gevallen om loos alarm te gaan. Voorzichtigheid is dus ten zeerste geboden.
Alvast veel dank voor het boeiende gesprek en veel succes met het verdere onderzoek!
Interview afgenomen voor het tijdschrift Mira Ceti nummer 3, jaargang 2006