Hoe zag het heelal eruit, 1 seconde na zijn geboorte?

De Nederlandse natuurkundige Auke Pieter Colijn wil met zijn collega’s de ultieme babyfoto van het heelal maken. Een ‘wild idee’ – en een project van de buitencategorie, waarvoor hij ruim een miljoen euro heeft gekregen van wetenschapsfinancier NWO.

Met miljarden tegelijk schieten ze op elk moment van de dag door je lichaam zonder dat je er ook maar iets van merkt: spookachtige deeltjes (zogeheten neutrino’s), uitgezonden toen het heelal slechts één enkele seconde oud was. Fysicus Auke-Pieter Colijn (Universiteit van Amsterdam) wil ze samen met collega’s de komende jaren voor het eerst betrappen, en daarmee een stap zetten naar de ultieme babyfoto van het heelal.

Natuurkundigen die een deeltje willen betrappen: het klinkt misschien niet heel revolutionair. Soms lijkt het wel alsof fysici niets anders doen. Maar vergis je niet: wat Colijn en collega’s willen is van de buitencategorie.

‘Toen ik ging studeren, waren er drie dingen die fysici graag wilden vinden’, zegt Colijn. Allereerst het higgsdeeltje, het deeltje dat alle andere deeltjes massa geeft. Dat lukte in 2012, in de deeltjesversneller van onderzoeksinstituut Cern in Genève. Het tweede vinkje zetten fysici in 2015, toen men zwaartekrachtgolven betrapte, de trillingen van ruimte en tijd die ontstaan wanneer zware kosmische voorwerpen op elkaar klappen. Beide prestaties leverden (indirect) een Nobelprijs voor de natuurkunde op.

En nu rest nog het derde ding op het lijstje. ‘De relic neutrino’s’, zegt Colijn, vluchtige deeltjes die dienstdoen als relikwie van de vroegste periode uit de kosmische geschiedenis, toen het heelal slechts één enkele seconde oud was.

Kosmische achtergrondstraling

Draai de klok van het universum terug en je stuit op een grens die onpasseerbaar lijkt. Ver vóór het moment dat mensen op het galactisch toneel verschenen, lang voor de geboorte van de aarde en zon, en nog voor het ontstaan van de eerste sterren tref je het moment dat het eerste licht ongehinderd door het heelal kon vliegen. Dat licht, dat de kosmos vulde toen die zo’n 380 duizend jaar oud was, staat tegenwoordig bekend als de kosmische achtergrondstraling.

Astronomen brachten die straling de afgelopen decennia in kaart. Het resultaat, een foto van het heelal in zijn jongste jeugdjaren, is hét belangrijkste onderzoeksresultaat in de moderne kosmologie. Het schuilt onder onze kennis over vrijwel alles van de oerknal tot de manier waarop het heelal uitdijt.

Verder terugkijken dan die 380 duizend jaar leek tot voor kort een utopie. Vóór dat moment was het heelal immers ondoorzichtig voor het licht dat onze telescopen kunnen opvangen. De relikwieneutrino’s boden op papier weliswaar een manier om veel verder terug te kijken, maar – zo luidde de brede consensus – die vangen is vrijwel onmogelijk. Tot Colijn en collega’s een maf idee kregen.

Geen garanties

Eenvoudig wordt het niet, benadrukt hij direct. En een garantie dat het zal lukken bestaat niet. Maar dat er iets zit in hun plan om neutrino’s uit het vroege heelal te betrappen is zeker. Anders had de Nederlandse geldverstrekker NWO – waar de concurrentie om geld notoir hevig is – geen miljoen euro vrijgemaakt voor wat de onderzoekers zelf nog altijd een long shot noemen.

De vroegste neutrino’s betrappen is niet gemakkelijk. De deeltjes hebben vrijwel geen interactie met andere deeltjes – daarom merk je het ook niet als ze met kuddes tegelijk door je lichaam sjezen. Wie ze toch wil betrappen, doet dat normaliter in reusachtige detectoren diep in de zee of in grote ruimten onder de grond. Slechts heel af en toe botsen ze dan op één enkele atoomkern, en kunnen fysici het lichtflitsje dat dat veroorzaakt opvangen en analyseren.

Alleen: de neutrino’s die dat soort apparaten vinden hebben veel energie. Ze zijn bijvoorbeeld afkomstig van de zon, en niet van het begin van de kosmos. De relikwieën die Colijn wil vangen, zijn van een heel andere orde. Die hebben na ruim 13 miljard jaar in de kosmos zó weinig energie beschikbaar dat ze een atoomkern geen opdonder meer kunnen geven.

‘In plaats daarvan gaan wij naar tritium kijken’, zegt Colijn. Dat atoom zal op papier héél af en toe een passerend relikwieneutrino vangen tijdens zijn verval naar het lichtere helium-3. Van nature vindt dat verval met grote regelmaat plaats: in één gram tritium zo’n biljard (duizendmiljoenmiljoen) keer per seconde.

Bij het verval ontstaat altijd een elektron. En nu komt de crux: als het tritiumatoom een relikwieneutrino uit de omgeving heeft geplukt, heeft dat elektron een héél klein beetje meer energie dan wanneer dat niet is gebeurd. Dat verschil hopen Colijn en collega’s nu uit te buiten. ‘Als het werkt – en dat gaan we nu uitzoeken – dan is dat echt de hoofdprijs.’

Indirect bewijs

Hoewel we er nog nooit één hebben gemeten, weten fysici vrij zeker dat relikwieneutrino’s bestaan. Niet alleen worden ze voorspeld door alle huidige modellen van het jonge heelal, indirect zijn ze zelfs al weleens betrapt. Zo beschreef theoretisch fysicus Daniel Baumann, eveneens verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, in vakblad Nature de sporen die de deeltjes trokken in geluidsgolven afkomstig uit het vroege heelal. ‘Heel slim’, noemt Colijn dat onderzoek. ‘De volgende stap is om ze direct te meten.’

Zelfs als hij in zijn missie slaagt, is dat nog slechts een opstap naar de échte ‘babyfoto’ van het heelal. De eerste metingen kunnen namelijk alleen bevestigen dat de neutrino’s inderdaad door de kosmos vliegen, maar ze nog niet in kaart brengen. ‘We denken nu alvast na hoe we ook kunnen zien uit welke richting ze komen. Ideeën zijn er, maar dat is allemaal nog heel speculatief. Tegen de tijd dat we zoiets kunnen doen, ben ik allang met pensioen’, lacht Colijn. Eén ding tegelijk, wil hij maar zeggen. Eerst de ene schier onneembare kosmische col beklimmen, voordat je gaat piekeren over de volgende.