„Hiermee is het 100 jaar oud raadsel van de herkomst van neutrino’s met een hoge-energie-inhoud opgelost”, zegt Erik Blaufuss, van de universiteit van Maryland (VS), in dagblad The Guardian. De wetenschappers publiceerden hun bevindingen donderdag in twee artikelen in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Neutrino’s zijn uiterst klein. Ze hebben geen elektrische lading en nauwelijks massa. Hoeveel massa? Zelfs dat kunnen wetenschappers nog niet zeggen. Neutrino’s vliegen dwars door alles heen. Elke seconde gaan er zo’n 100 miljard door een vingertop, en passeren er 100.000 miljard ons lichaam.

Ze laten zich door niets tegenhouden. Ze laten zelfs bijna geen spoor na. Zelfs sterke magnetische velden kunnen de deeltjes niet uit hun loodrechte baan trekken. Al die eigenschappen samen maken het heel moeilijk om neutrino’s te vangen en te bestuderen. Het maakt neutrino’s tot een van de grootste raadsels van het heelal.

Neutrinodetector

Om deze ”spookdeeltjes” te traceren, is in 2010 in het ijs van de Zuidpool het zogeheten IceCube Neutrino Observatory gevestigd. Het is de enige neutrinodetector ter wereld die groot genoeg is om ook de hoogenergetische deeltjes te traceren die buiten de Melkweg zijn ontstaan.

Het observatorium bestaat uit 86 gaten van 2,5 kilometer diep. In die gaten zijn 5160 ultragevoelige sensoren aangebracht, verspreid over een gebied van 1 vierkante kilometer. Als neutrino’s een spoor trekken door het ijs, is er een miniem lichtflitsje te zien. De sensoren zijn in staat om dat op te vangen.

Zo’n flitsje is gemeten op 22 september vorig jaar. De minuscule neutrino raakte het ijs met een kracht van 300.000 miljard elektronvolt. Dat is meer dan 45 keer de energie van hoogenergetische deeltjes in de sterkste deeltjesversneller op aarde, de LHC van CERN in Genève.

Het kaarsrechte spoor dat de neutrino achterliet was zelfs zo duidelijk dat de fysici de reis van de neutrino door het heelal konden reconstrueren. Astronomen over de hele wereld werden gevraagd om hun telescopen op de vermeende bron van de neutrino te richten. Was daar iets spannends te zien?

Dat was inderdaad het geval. De neutrino bleek afkomstig van een zogeheten ”blazar”, een sterrenstelsel met een snel roterend superzwaar zwart gat in het midden dat TXS 0506+056 wordt genoemd. Het is een gigantische bron van dodelijke gammastraling, ontdekten drie observatoria.

„De sterke gammastraling wordt veroorzaakt door versnelde elektronen of protonen”, weet Regina Caputo van Fermi Large Area Telescope-team, een van de drie betrokken observatoria. „Omdat neutrino’s onstaan door botsende protonen, is de waarneming van de neutrino uit het zwarte gat is het eerste bewijs dat zwarte gaten protonenversnellers zijn.”

Mysterie

Hiermee losten de astronomen een 100 jaar oud wetenschappelijk mysterie op. De Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess bewees in 1912 dat ioniserende deeltjes in de aardse atmosfeer afkomstig waren uit het heelal. Maar wat de bron was, kon Hess niet zeggen.

Het achterhalen van de blazar was alleen mogelijk omdat neutrino’s in kaarsrechte lijn extreem lange afstanden kunnen afleggen in het heelal. Niets brengt hen uit hun koers.

De herkomst van andere deeltjes is veel lastiger in te kaart te brengen, omdat die worden beïnvloed door bijvoorbeeld de zwaartekracht van hemellichamen of magnetische velden. „Die komen via omwegen hierheen geslingerd. Van die deeltjes kunnen we de bron dus niet traceren”, zegt Greg Sullivan, werkzaam als natuurkundige bij het IceCube Neutrino Observatory, op de website space.com. „Neutrino’s maken het ook mogelijk om sterrenkaarten te maken op basis van andere vormen van uitgestraalde energie dan zichtbaar licht. We kunnen hiermee vragen beantwoorden die tot voor kort onbeantwoord bleven.”

Doorbraak

De wetenschappers noemen de vondst een doorbraak in de zogeheten ”multimessenger astronomie”. Ze zijn daarmee niet alleen afhankelijk van het sterrenlicht dat telescopen opvangen, maar maken ook gebruik van radiogolven, zwaartekrachtsgolven en neutrino’s om het heelal te ontrafelen.

Dat is ook de missie van Kate Scholberg, een deeltjesfysicus aan de Duke University in North Carolina (VS). „Ik vind neutrino’s geweldig”, laat ze weten op space.com. „Als we ons heelal willen begrijpen, moeten we die deeltjes leren kennen.”

Het is Scholbergs missie het raadsel van de neutrino te ontrafelen. Haar onderzoek richt zich vooral op neutrino’s met een lage energie-inhoud. De wetenschappers gebruiken neutrino-uitbarstingen van sterren om supernova’s –exploderende sterren– in de Melkweg te voorspellen. Ze kunnen zo astronomen hiervoor tijdig waarschuwen. „Je kunt werkelijk aan de neutrino’s zien hoe een zwart gat wordt geboren”, aldus Scholberg.

Sullivan noemt het een grote puzzel waarvan de stukjes op hun plaats beginnen te vallen. „Als we het hele plaatje van energie en deeltjes in het heelal compleet krijgen, kunnen we ook de natuurkunde daarachter leren begrijpen. Hij geeft aan dat er een nog grotere neutrinodetector dan IceCube op zijn verlanglijstje staat. „Dit is nog maar de eerste stap. Er is nog zoveel meer dat we willen leren en zien.”