Nobelprijs voor natuurkunde: neutrino’s en IceCube
Op 6 oktober 2026 heeft de Belgisch-Amerikaanse deeltjesfysicus Francis Halzen de Nobelprijs voor Natuurkunde gewonnen. Zijn baanbrekend idee om een grote detector in het ijs op de Zuidpool te bouwen, later IceCube genoemd, heeft geleid tot een beter begrip van de kosmische ‘spookdeeltjes’, of neutrino’s, en hun oorsprong. Maar wat doet het IceCube Neutrino Observatory precies? Wat zijn neutrino’s? En waarom worden ze ‘spookdeeltjes’ genoemd?
Copyright afbeelding: Negin Asghari
Boodschappers uit de ruimte
Natuurlijke astrofysische deeltjesversnellers in het heelal, zoals supernova’s en actieve galactische kernen (AGN), kunnen deeltjes tot zeer hoge energieën versnellen. Daarbij kunnen hoogenergetische deeltjes, zoals protonen, neutronen en gammastraling, de ruimte in worden gestuurd. Deze deeltjes bevatten informatie over de processen en bronnen waaruit ze afkomstig zijn en worden om die reden de boodschappers uit de ruimte genoemd.
Protonen zijn positief elektrisch geladen deeltjes die we op Aarde kunnen detecteren. Omdat ze elektrisch geladen zijn, worden ze afgebogen door magnetische velden in de ruimte. Daardoor wijst hun afgelegde traject niet rechtstreeks terug naar de astrofysische bron waaruit ze afkomstig zijn. Gammastraling behoort tot het hoogenergetische deel van het elektromagnetische spectrum. In tegenstelling tot protonen wordt gammastraling niet afgebogen door magnetische velden en wijst dus rechtstreeks terug naar zijn bron. Gammastraling kan onderweg echter worden geabsorbeerd door interacties met materie waardoor het de Aarde niet altijd bereikt. Bovendien kan het ook energie verliezen door interactie met andere straling.
Neutrino’s zijn ongeladen elementaire deeltjes. Ze interageren slechts zeer zelden met materie en kunnen daardoor enorme afstanden door het heelal afleggen zonder geabsorbeerd te worden of zonder een interactie aan te gaan met een ander deeltje. Omdat ze elektrisch neutraal zijn, worden ze bovendien niet afgebogen door magnetische velden. Hun afgelegde traject wijst dus terug naar de bron die ze heeft geproduceerd. Deze eigenschappen verklaren hun bijnaam: ‘spookdeeltjes’. Neutrino’s zijn daarom bijzonder waardevol om meer te weten te komen over de astrofysische bronnen waaruit ze afkomstig zijn.
Een reusachtige detector in het ijs
Het IceCube Neutrino Observatory is een neutrino-detector op Antarctica, vlak bij de geografische Zuidpool. Over een volume van ongeveer één kubieke kilometer ijs zijn 86 boorgaten gemaakt waarin kabels tot een diepte van ongeveer 2,5 kilometer zijn neergelaten. Elke kabel bevat 60 digitale optische modules (DOM) die licht kunnen waarnemen.
De meeste neutrino’s die IceCube bereiken, reizen ongehinderd door het ijs zonder gedetecteerd te worden. Een klein deel van de neutrino’s heeft voldoende energie om met atoomkernen in het ijs te interageren en produceert geladen deeltjes. Deze deeltjes kunnen licht uitzenden via het Cherenkov-effect. Dit licht wordt door de sensoren in de digitale optische module waargenomen, verwerkt en vervolgens naar het oppervlak gestuurd voor verdere analyse.
Copyright afbeelding: IceCube/NSF
Neutrino's openen een nieuw venster op het heelal
Er bestaan drie types of generaties neutrino’s: elektron-, muon- en tauneutrono’s. Op de onderstaande afbeelding zie je een typisch lichtspoor van een muondeeltje dat ontstaat bij de interactie van een muonneutrino met een atoomkern in het ijs. Het muondeeltje kan een lange afstand door het ijs afleggen. Door zijn spoor te reconstrueren, kunnen wetenschappers de oorspronkelijke richting van het neutrino bepalen en zo de astrofysische bron opsporen. Wanneer elektron- of tauneutrino’s met een atoomkern in het ijs interageren, veroorzaken ze doorgaans een meer lokaal lichtsignaal, ook wel een deeltjescascade genoemd. Deze signalen zijn eveneens waardevol, onder meer voor de studie naar de energie van deze deeltjes.
Copyright afbeelding: IceCube/NSF
In 2013 maakte IceCube bekend dat het voor het eerst zeer hoogenergetische kosmische neutrino’s had gedetecteerd, met energieën tot ongeveer 1,14 peta-elektronvolt (PeV), oftewel 1,14 keer een tien met vijftien nullen. In 2018 werd een belangrijke doorbraak bereikt: wetenschappers konden een hoogenergetisch neutrino in verband brengen met TXS 0506+056, een blazar. Dat is een actieve kern van een sterrenstelsel met een relativistische straalstroom (jet) die ongeveer in de richting van de Aarde wijst. In 2022 maakte IceCube bekend dat het bewijs had gevonden voor de uitstoot van hoogenergetische neutrino’s door het spiraalstelsel NGC 1068, ook bekend als M77, in het sterrenbeeld Walvis. Deze ontdekking helpt wetenschappers om de processen rond het supermassieve zwarte gat in de actieve kern van dit sterrenstelsel beter te begrijpen.
De ontdekking van kosmische neutrino’s heeft een nieuw venster geopend op het heelal. Dankzij IceCube kunnen wetenschappers extreme kosmische verschijnselen onderzoeken die met licht alleen moeilijk te bestuderen zijn. De Nobelprijs voor Francis Halzen bekroont niet alleen een baanbrekend idee, maar ook de ontwikkeling van een volledig nieuwe manier om het heelal te bestuderen. Neutrino’s mogen dan bijna onzichtbaar zijn, ze helpen ons de meest energetische en mysterieuze processen in het universum beter te begrijpen.
Tekst: Negin Asghari
20 oktober 2026