Wetenschappers speuren naar spookdeeltjes op de bodem van de zee

De onderzoeksdirecteur van het Centrum voor Deeltjesfysica in Marseille heeft begin september nog een reden om teleurgesteld te zijn. De elfde ‘zeecampagne’ van het project heeft tot doel om vele tientallen nieuwe detectormodules, bevestigd aan vier lange kabels, af te zinken naar een diepte van bijna 2,5 kilometer, maar al een halve dag is er te veel golfslag. Het kleine motorschip Mousquemer, dat Coyle en zijn gasten vanaf het schiereiland Giens aan de Côte d’Azur naar het 40 kilometer uit de kust gelegen werkschip Castor 02 vaart, beukt op de golven. De cameraman van een Franse tv-ploeg hangt al snel kotsend over de reling. Aan boord stappen vanaf het heftig deinende motorschip vergt stalen zenuwen.

Dankzij bemiddeling van Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica in Amsterdam, kan de Volkskrant een kijkje nemen op de Castor 02. Het kletsnatte ijzeren dek van het schip staat vol zware apparatuur. Dieselgeneratoren; een gigantische haspel met een paar kilometer staalkabel; containers met spanbanden, takelhaken en katrollen. Een enorme, knalgele portaalkraan torent overal bovenuit. Dit is de wereld van smeerolie en zware machines.

Een groot contrast met de delicate hightechapparatuur die straks naar de zeebodem gaat. Midden op het scheepsdek, in slagorde opgesteld, staan de vier grote, bolvormige constructies waar het tijdens deze campagne allemaal om draait. In hun zilverkleurige verpakking ogen ze als buitenaardse ruimtescheepjes. Trek je het isolatiemateriaal los, dan zie je de achttien kleinere, eveneens bolvormige DOM’s (digital optical modules), stuk voor stuk zo groot als een basketbal en uitgerust met 31 fotomultiplicators. Die zijn zo extreem gevoelig dat ze afzonderlijke fotonen (lichtdeeltjes) kunnen registreren. Veel van de detectormodules zijn gebouwd door Nikhef, dat ruime ervaring heeft met de bouw van specialistische apparatuur voor deeltjesfysisch onderzoek.

Coyle en zijn collega’s kunnen niet wachten om de vier ‘reuzenbollen’ naar beneden te takelen, waar ze verankerd worden in de zeebodem. Een onderwaterrobot, neergelaten en bestuurd vanaf het nabijgelegen onderzoeksschip Janus II, sluit elke bol op 2.450 meter diepte aan op een stroom- en datanetwerk. Vervolgens trekt de robot een pin los, waarna een 200 meter lange kabel afrolt, met een oranje boei aan het uiteinde. De achttien DOM’s zijn om de 9 meter aan die verticale kabel bevestigd. Uiteindelijk moeten er 115 van zulke detectorlijnen geplaatst worden, in een rasterpatroon op onderlinge afstanden van 20 meter.

Maar voorlopig gebeurt er niets aan boord. Te veel deining. ‘Het ziet er niet goed uit’, constateert de kapitein van de Castor 02, die op de brug van het schip de laatste weergegevens raadpleegt. ‘Pas eind van de dag wordt het rustiger.’

Sterrenkundigen zetten hun telescopen normaal gesproken het liefst op een hoge bergtop. Maar KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) is geen gewone telescoop. Hij vangt geen sterlicht op – dat dringt niet door tot de zeebodem, waar het zelfs midden op de dag stikdonker is. Het observatorium maakt jacht op neutrino’s – mysterieuze en ongrijpbare elementaire deeltjes, die in onvoorstelbare aantallen door het heelal sjezen en met de lichtsnelheid overal dwars doorheen bewegen. Neutrino’s ontstaan bij kernreacties in de zon, maar ook bij botsingen van kosmische straling (elektrisch geladen deeltjes uit het heelal) met atoomkernen in de aardse dampkring. Daarnaast wemelt het in het heelal van de neutrino’s die tijdens de oerknal geproduceerd zijn, een kleine veertien miljard jaar geleden.

Omdat neutrino’s vrijwel geen wisselwerking vertonen met andere materie, zijn ze bijna niet te vangen. Ook niet door KM3NeT, al wordt het instrument wel een neutrinotelescoop genoemd. In plaats daarvan registreren de onderwaterdetectoren de muonen (de zware neefjes van elektronen) die ontstaan wanneer een neutrino heel af en toe een interactie aangaat met een atoomkern in de diepzee. Als zo’n muon door zeewater beweegt, produceert het een extreem zwak lichtflitsje, dat opgevangen wordt door de gevoelige DOM’s van KM3NeT.

Onderzoek aan de gemeten flitsjes geeft uiteindelijk informatie over de neutrino’s zelf en ook over de mysterieuze kosmische herkomst van de meest energierijke exemplaren. Vandaar dat zowel deeltjesfysici als astronomen met spanning uitkijken naar de voltooiing van het instrument. Dat gaat nog wel een aantal jaren duren: tot dusver zijn er pas 11 van de 115 lijnen geplaatst. ‘Maar’, zegt Coyle, ‘ook met die beperkte omvang hebben we al interessante resultaten geboekt.’ Zo kijkt de detector al naar de manier waarop neutrino’s van ‘smaak’ veranderen.

Sinds ruim tien jaar is er op de Zuidpool een vergelijkbare ‘neutrinotelescoop’ actief, diep in de Antarctische ijskap. Maar KM3NeT wordt een stuk gevoeliger dan die Amerikaanse IceCube-detector en kan ook de herkomstrichting van de neutrino’s veel nauwkeuriger bepalen. Overigens bestaat het Europese instrument uit twee delen: voor de zuidoostpunt van Sicilië wordt gewerkt aan het Italiaanse deel van het project, dat nog eens twee keer zo groot moet worden.

Wachten duurt lang, aan boord van de Castor 02. Coyle’s Italiaanse promovendus Francesco Filippini lijkt er niet zo mee te zitten. ‘Het hoort erbij’, zegt hij gelaten, terwijl hij op het bovendek een broodje eet op een bankje in de zon. Maar Evelyne Garçon en Laurence Caillat, verantwoordelijk voor de integratie van de detectormodules en voor de kwaliteitscontrole, voelen vooral frustratie. ‘Hopelijk gaat er nog wel wat gebeuren vandaag’, zegt Caillat. De Franse cameraploeg maakt intussen opnamen voor een documentaire over de Italiaanse natuurkundige en neutrino-onderzoeker Ettore Majorana (1906-1938), gespeeld door acteur Laurent Mothe. Scheepspersoneel kijkt belangstellend toe.

In een donkere, koele zeecontainer die omgebouwd is tot provisorisch navigatiecentrum zitten Vincent Bertin en Marie-Noëlle Fabre gebogen over computerschermen. Deeltjesfysicus Bertin laat zien waar de vier nieuwe detectorlijnen moeten komen. ‘Op bijna 2,5 kilometer diepte kunnen we die positioneren tot op 2 meter nauwkeurig!’, zegt Fabre, alsof ze het zelf nog steeds niet echt kan geloven. Fabre werkt voor het bedrijf iXblue, dat de apparatuur levert die dat precisieklusje mogelijk maakt.

Zendertjes en ontvangertjes op het schip, op de neergelaten modules, en op de zeebodem staan voortdurend met elkaar in verbinding. De precieze timing van de uitgewisselde geluidssignalen levert informatie op over de onderlinge posities. Zo nodig stuurt het schip tijdens het afzinken van een nieuwe ‘reuzenbol’ een klein beetje bij, legt Bertin uit. Maar ook wanneer de 200 meter lange detectorlijnen eenmaal zijn uitgerold, blijven de afzonderlijke DOM’s – de kleine bollen met de fotomultiplicators – continu met elkaar in contact. Ze bewegen immers voortdurend een beetje heen en weer op de zeestromingen, en om de baan van een muon (en dus van het oorspronkelijke neutrino) nauwkeurig te reconstrueren moet je daarvoor corrigeren. Bij het verwerken van de metingen moet je bovendien rekening houden met de reistijd van de signalen door de datakabels, anders haal je nooit de vereiste nauwkeurigheid van eenmiljardste seconde.

Dankzij al die geavanceerde apparatuur is KM3NeT behalve een neutrinodetector een veelzijdig onderwaterobservatorium. De gevoelige microfoontjes vangen bijvoorbeeld ook geluiden van walvissen en dolfijnen op, zodat hun bewegingen gevolgd kunnen worden. ‘Wij zijn eigenlijk de hoeders van de oceaan’, zegt Coyle. ‘Als er iets met de walvissen aan de hand is, zijn wij de eersten die dat opmerken.’

Rond vier uur ’s middags is opeens iedereen in de weer. De golfslag is eindelijk afgenomen en op buurschip Janus II is groen licht gegeven voor het neertakelen van de onderwaterrobot, die even later in een speciale kooi onder de zeespiegel verdwijnt. Voordat er ook nieuwe detectoren naar de zeebodem afdalen, moet er eerst een oude detectorlijn omhoog worden gehaald, vanwege een probleem met de stroomvoorziening. Bemanningsleden met veiligheidshelmen op en reddingsvesten aan hangen half overboord om een zware hijskabel in stelling te brengen. Die gaat vervolgens met veel geraas in anderhalf uur omlaag, aan een kilometerslange staalkabel die over grote katrollen van zijn kolossale haspel wordt afgewikkeld.

Op een tv-scherm in de kleine messroom van de Castor 02, te bereiken via een smal, laag gangetje, zijn de verrichtingen van de onderwaterrobot aan het eind van de middag live te volgen. Het zijn mysterieuze beelden, die afkomstig lijken uit een sciencefictionfilm. De propellers van de op afstand bestuurde robot woelen wolken zand op, dat langzaam ronddwarrelt in het harde licht van de schijnwerpers. Mechanische grijpers tasten in het rond bij het ankerplatform van de omhoog te takelen detectorlijn en trekken de connectoren van de stroom- en datakabels los.

Paschal Coyle en zijn collega Sylvain Henry kunnen hun ogen niet van het scherm afhouden. ‘Die robotpiloten zijn geweldig’, zegt Coyle. ‘Ze hebben een 3D-brein.’ Francesco Filippini en Laurence Caillat schuiven ook aan, evenals de Franse tv-ploeg. Op tafel ligt vers stokbrood en charcuterie. Even later komt de scheepskok erbij zitten met een enorme bak radijsjes die hij aan tafel gaat schoonmaken en snijden. Niemand wil dit missen.

Als de hijskabel precies op de juiste plek naar beneden komt – een steeds feller stralend knipperlichtje op de onderwaterbeelden – moet hij door de robot worden vastgemaakt en kan de detectorlijn omhooggetakeld worden. Dat zal pas laat op de avond gebeuren, als Coyle met zijn gasten alweer is teruggekeerd aan de wal. Diep in de nacht wordt ook de eerste nieuwe module neergelaten en aangesloten, zo vertellen technici Alex Enzenhöger en Godefroy Vannoye de volgende ochtend in het controlecentrum van de neutrinotelescoop.

Ook daar, in La Seyne-sur-Mer, iets ten zuidoosten van Toulon, is sprake van een groot contrast tussen het hypermoderne observatorium en de entourage. Het controlecentrum is gehuisvest op de bovenverdieping van een prachtig 19de-eeuws gebouw dat ooit toebehoorde aan de universiteit van Lyon, met Moorse ornamenten en geglazuurde tegels aan de gevel, maar ook met afbladderend stucwerk en een verwilderde binnenplaats achter een roestig hek. Hier komen de datakabels van de bodem van de Middellandse Zee binnen en staan de serverkasten voor de gegevensverwerking. En de lege champagneflessen die getuigen van eerdere mijlpalen in het project. Voor 2024 staat de verhuizing gepland naar een gloednieuw gebouw, vertelt Coyle.

Als de Mousquemer terugvaart naar de haven, over veel kalmer water dan tijdens de heenreis, verdwijnt de Castor 02 geleidelijk weer uit het zicht. Aan niets is te zien dat vanaf dat schip gebouwd wordt aan een deeltjesdetector van een kubieke kilometer. Vakantiegangers die van Marseille naar Corsica varen, hebben geen idee dat 2,5 kilometer onder de veerboot jacht wordt gemaakt op minuscule lichtflitsjes. En wie in La Seyne-sur-Mer over de boulevard loopt, kan nooit bevroeden dat in het voormalige instituut voor mariene biologie wordt gewerkt aan het ontraadselen van geheimen in de deeltjesfysica en de astronomie. KM3Net is een telescoop die even onzichtbaar is als de neutrino’s die hij bestudeert.