Tekst Govert Schilling Foto's Pierre Auger Observatory!Govert Schilling nwt 143

Transcriptie

1 '\

2 Tekst Govert Schilling Foto's Pierre Auger Observatory!Govert Schilling nwt 143

3 IIBEZORGD der die langs KIJKT desijbrand houten paal de Tongnaar van de eenvoudige de dunne bliksemaflei radioantenne is bevestigd. Het onweert hevig boven de Argentijnse Pampa Amarilla. Het zonnepaneel van de antenne zit onder de vogelpoepi het kippengaas rond de elektronicakast is ingedeukt, 'waarschijnlijk door een passerende koe.' De Tong- directeur van het IMAP (Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics van de Radboud Universiteit Nijmegen) - heef!' voorjaar 2008 eigenhandig vier van deze antennes geplaatst. Met de proefmetingen waarvoor hij hierheen is gekomen, wil het nog niet echt vlotten: te veel ruis en onbekende stoorsignalen. De radioantennes - uiteindelijk moeten het er vele tientallen worden - vormen de Nederlandse bijdrage aan het Pierre Auger Observatorium voor kosmische straling, dat op vrijdag 14 november ohicieel werd geopend. Geen telescoop op een hoge bergtop ditmaal, maar wel vele honderden deeltjesdetectoren, verspreid over een gebied zo groot als de provincie Zuid-Holland. Met aile bijkomende problemen van dien. De meeste detectoren zijn slecht bereikbaar, en tegen vandalisme valt weinig te ondernemen - er is al een watertank lek geprikt en er zijn twee zonnepanelen gestolen. De pampa, ten noordoosten van het wintersportstadje Malargue, strekt zich in aile richtingen tientallen kilometers uit. In het westen liggen de besneeuwde toppen van de Andes. Smeltwater uit het hooggebergte houdt de grasvlakte vruchtbaar. Rivieren en kreekjes doorsnijden het gebied; bij de plaatsing van de detectoren moesten er regelmatig gelmproviseerde bruggen worden gebouwd. Hier en daar kom je een primitieve boerderij tegen. Of een groepje gaucho's te paard, de Argentijnse tegenhangers van de Amerikaanse cowboys. Olieboeren zijn er trouwens ook. "Ik hoop maar dat de waarnemingen straks niet worden verstoord door verlichte boortorens", zegt De Tong. Vloedgolven Het Pierre Auger Observatorium is een internationaal samenwerkingsverband van honderden onderzoekers uit zeventig instituten in zeventien landen en is meteen het grootste wetenschappelijke project in Argentinie. Het richt zich niet op licht of andere elektromagnetische straling uit het heelal, maar op energie rijke, elektrisch geladen deeltjes. Die zogeheten 'kosmische straling' werd in 1912 ontdekt door de Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess. De Fransman Pierre Auger was een van de eersten die metingen deed aan 'air showers': complete vloedgolven van secundaire deeltjes die ontstaan wanneer kosmische straling in botsing komt met atoomkernen in de aardse dampkring. Grofweg zijn er twee methoden om onderzoek te doen aan die secundaire deeltjes, en op die manier meer te wet en te komen over de primaire kosmische straling. De eerste methode maakt gebruik

4 van detectoren op het aardoppervlak. Meestal zijn dat grote, afgesloten tanks met zuiver water erin. Energierijke deeltjes produceren minieme lichtflitsjes in zo'n watertank. Die worden met fotomultiplicatorbuizen geregistreerd. De tweede methode kijkt naar de zeer zwakke fluorescentie van stikstofatomen in de dampkring als die worden geloniseerd door botsingen met energierijke deeltjes. Die methode werkt alleen op heldere, maanloze nachten: de fluorescentiegloed is buitengewoon zwak. Pierre Auger combineert beide methoden. Het idee voor het reusachtige observatoriurn stamt al uit Geestelijk vader en Nobelprijswinnaar Jim Cronin van de universiteit van Chicago was vooral benieuwd naar de aard en herkomst van de ultra high energy cosmic rays - protonen met evenveel energie als een krachtig geserveerde tennisbal. Die zijn uiterst zeldzaam (gemiddeld arriveert er een zo'n deeltje per vierkante kilometer per eeuw), dus moet je een zeer groot detectornetwerk bouwen om ze te kunnen vangen. "Ik had zeventien jaar geleden nooit gedacht dat het zo lang zou duren voordat het idee eindelijk was gerealiseerd", aldus Cronin (77), die eregast is tijdens de openingsplechtigheid. Deeltjesfysici Antoine Letessier-Selvon en Ken Gibbs reisden in 1995 en 1996 de hele wereld over op zoek naar een geschikte 10 catie voor zo'n reuzendetector. "Je hebt een groot, dunbevolkt, vlak gebied nodig, met veel heldere nachten, op een gematigde breedtegraad, liefst op een hoogte van meer dan duizend meter, en als het even kan met een redelijke infrastructuur", somt Letessier-Selvon op. Zuid-Afrika kwam als beste plek uit de bus, maar Argentinie had politiek en financieel meer te bieden. Malarglie beloofde (en realiseerde) de bouw van een groot congrescentrum en een hypermodern planetarium, en wil zich ontwikkelen tot centrum van wetenschappelijk toerisme. Onfortuinlijk Op 17 maart 1999 begon men met de bouw en de plaatsing van ruim 1600 watertanks ter grootte van een jacuzzi, op onderlinge afstanden van zo'n anderhalve kilometer, en vierentwintig fluorescentiedetectoren, verdeeld over vier heuveltoppenaan de om trek van de pampa. ProjectmanagerPaul Mantsch van Fermilab in Chicago:"Het he eft twee jaar langer geduurddan gepland, vooral vanwege de economische crisis in Argentinie in 2001." Mantschwas eerder nauw betrokken bij de Jim Cronin, geestelijk vader van het Pierre Auger Observatorium: "Nooit gedacht dat het zo Langzou duren". de beoogde vijfduizend neemt hij op de koop toe. "Er zijn trouwens plannen voor een uitbreiding." De plastic tanks, ieder gevuld met twaa1fduizend liter superpuur water, zijn uitgerust met drie fotomultiplicatorbuizen, een eigen zonnepaneel voor de energievoorziening, draadloze communicatie voor de gegevensdoorvoer, en een GPS-ontvanger. voor een nauwkeurige positiebepaling. Een 'waterval' van secundaire deeltjes bestrijkt gewoonlijk enkele tientallen detectoren. Uit de minieme verschillen in aankomsttijdstip wordt de herkomstrichting bepaald. Voor laag-energetische kosmische straling zegt dat niet zoveel, omdat de primaire deeltjes sowieso al worden afgebogen door interstellaire magneetvelden. Maar de 'tennisbaldeeltjes' zijn zo energierijk dat ze daar nauwelijks last van hebben. onfortuinlijke SSC (Superconducting Super Collider), een kolossale Amerikaanse deeltjesversneller waarvan de bouw halverwege werd afgeblazen. "Daar zaten te veel bureaucrat en in het management", moppert hij. "Zulke grote projecten moeten echt door gepassioneerde wetenschappers worden geleid." Gepassioneerde wetenschappers zijn er in elk geval genoeg tijdens de openings ceremonie in Malargue, op het mini-symposium, bij de traditionele Argentijnse barbecue (met heel veel vlees) en tijdens de dagtocht over de pampa, in een lange stoet minibusjes. "Ik ben blij dat ik het nog meemaak", zegt Jim Cronin, met een baseballpetje op tegen de felle zon. Net als medeinitiatiefnemer en generatiegenoot Alan Watson van de universiteit van Leeds geniet hij zichtbaar van alle aandacht. Dat het observatorium 'slechts' drieduizend vierkante kilometer beslaat in plaats van Laserstralen Bij het bezoek aan een van de fluorescentiedetectoren, op de heuveltop Coihueco enkele tientallen kilometers ten noorden van Malargue, moeten de schoenen uit, om stof buiten de deur te houden. Even heb je het gevoel alsof je een tempel betreedt: het ronde, paarsblauwe venster dat alleen de fluorescentiegolflengte van stikstof doorlaat, heeft wel iets weg van een groot glas-in-loodraam. Een gesegmenteerde spiegel van elf vierkante meter weerkaatst de zwakke opgevangen straling naar een brandvlak van 440 kleine fotomultiplicatorbuizen. Vierentwintig van dit soort 'licht-emmers' houden samen vrijwel de gehele hemel boven de Pampa Amarilla in de gaten. Door de metingen van de watertanks te ~

5 Een van de vier radiaantennes naar NederLands antwerp. ALs de antennes naar tevredenheid resultaten apleveren, is het de bedaeling dat er nag eens handerden van dit saart antennes in de pampa verrijzen. combineren met de waarnemingen van de fluorescentiedetectoren, kom je meer te weten over de energie, de samenstelling en de herkomstrichting van de oorspronkelijke kosmische-stralingsdeeltjes. Van de meest energierijke exemplaren (meer dan vijftig triljoen elektronvolt) zijn er tot nu toe enkele tientallen gedetecteerd. Uit die metingen blijkt al dat ze van buiten de Melkweg afkomstig moeten zijn, en niet gelijkmatig over de hemel zijn verdeeld. "De precieze oorsprong van de ultra high energy cosmic rays is echter nog steeds een raadsel,' aldus Masahiro Teshima van het Max-Planck-Institut fur Physik in Munchen. Behalve de vele honderden watertanks en de twee dozijn fluorescentiedetectoren omvat het Pierre Auger Observatorium ook twee laserstations. De ragdunne laserstralen worden gebruikt om de lichtdetectoren te kalibreren en de klokken van de vier fluorescentiestations gelijk te zetten. "De satellietklokken van het GPS-systeem zijn voor ons doel niet nauwkeurig genoeg", legt Miguel Mostafa van de Colorado State University uit. Met lidar-instrumen ten ('light detection and ranging') en weerballonnen houden de onderzoekers bovendien de verticale structuur van de dampkring nauwlettend in het oog. De water tanks detecteren trouwens ook kosmische neutrino's, de bijna ongrijpbare spookdeeltjes die geproduceerd worden in de zon en in supernova-explosies, maar die ook tijdens de oerknal ontstonden. "Bouw een kosmische-stralingsdetector, en je krijgt er een neutrino detector bij cadeau", aldus Mostafa. Een geplande uitbrei ding van het observatorium voorziet verder in de bouw van ondergrondse muondetectoren. Muonen, instabiele deeltjes met dezelfde lading als het elektron maar met een grot ere massa, ontstaan bij de wisselwerking van kosmische straling of neutrino's met atomen in de dampkring van de aarde. Op Coihueco wordt bovendi en de laatste hand gelegd aan drie extra fluorescentiedetectoren die steiler omhoog kijken. Daarmee kan men ook air showers van minder energierijke kosmische-stralingsdeeltjes zien. Voorlopig valt er nog voldoende uit te brei den aan Pierre Auger. In dat licht moet ook de Nederlandse bijdrage worden gezien, zegt projectleider Ad van den Berg, plaatsvervangend directeur van het Groningse Kernfysisch Versneller Instituut. Een air shower produceert een zwakke puis van radiostraling, die met eenvoudige dipoolantennes opgevangen kan worden. "We willen ruim honderd antennes bouwen, verspreid over een gebied van twintig vierkante kilometer", aldus Van den Berg. De hoop is dat onderzoekers met zo'n antennepark - een gezamenlijk project van Duitsland, Nederland en Frankrijk - beter in staat zijn om de herkomstrichting van energierijke kosmische-stralingsdeeltjes te bepalen dan met de fluorescentiedetectoren. "In elk geval werkt radio altijd", zegt Sijbrand de Jong van de Radboud Universiteit, "ook overdag en hij bewolkte hemel." Wie weet komt de ultieme droom van Jim Cronin binnenkort oak nog uit: een tweede observatorium op het noordelijk halfrond, met een veel groter oppervlak, van maar liefst twintigduizend vierkante kilometer - half zo groot als Nederland. De geplande locatie isaj bekend: het zuidoosten van Colorado, bij het stadje Lamar, dat door sommige Pierre Auger-onderzoekers al Lamargue wordt genoemd. "Typisch iets voor wetenschappers, om op de dag van de inauguratie al te praten over een vervolgproject", aldus Frieder Meyer-Krahmer, de Duitse staatssecretaris van onderwijs en wetenschap. "We bel oven niet al jullie dromen te realiseren, maarwe beloven wel dat we ons best ervoor zullen doen." (Govert Schilling woonde de inauguratie van het Pierre Auger Observatorium bij op uitnodiging van het KVI, de Radboud Universiteit en het Nikhef.)