Het lijkt een gewone afslag van een autosnelweg. ”Nationaal Instituut voor Atoomfysica” staat er op een bord aan de A24, de snelweg tussen Rome en de Adriatische Zee. Maar wie de afslag durft te nemen, stuit op een zware, metalen branddeur. ”Toegang alleen voor bevoegden”. De deur gaat echter open, de auto rijdt naar binnen, de gastenlijst wordt gecontroleerd.

Op 1400 meter onder een Italiaanse bergtop ligt het grootste onderaardse laboratorium ter wereld. Eigenlijk is het niet één laboratorium, maar het zijn er drie. Het complex bestaat uit drie enorme hallen, die met hun gebogen structuur wel iets weg hebben van negentiende-eeuwse treinstations. Nationale Laboratoria van de Gran Sasso (LNGS) heten ze officieel.

De Gran Sasso is een bergtop in de Apennijnen die een kleine 3000 meter hoog is. De laboratoria hebben zich ongeveer halverwege in deze berg genesteld. Hoe hebben ze die daar kunnen bouwen?

Dat was eenvoudiger dan het op het eerste gezicht lijkt. Er was in de jaren zestig een autosnelweg in de maak die dwars door de Apennijnen zou gaan. Een ingenieur, de toenmalige directeur van het Italiaanse Instituut voor Atoomfysica (INFN), opperde in 1969 het idee: als er dan toch een tunnel door de Apennijnen gaat, waarom bouwen we daar ook niet gelijk een paar laboratoria voor astrodeeltjesfysica? Zo gezegd, zo gedaan in 1989.

In de astrofysica, een wetenschap op het snijvlak van sterrenkunde en natuurkunde, worden processen onderzocht die in het heelal plaatsvinden. Daarover is heel veel niet bekend. Zo leven er tal van vragen over de kosmische stralen die voortdurend vanuit het heelal de atmosfeer bestoken; ook zouden de wetenschappers graag willen weten in hoeverre de natuur deeltjes kan versnellen.

Neutraaltje

In deze laboratoria wordt hoofdzakelijk onderzoek gedaan naar de neutrino. Neutrino is een Italiaans woord dat door Nobelprijswinnaar Enrico Fermi is bedacht en dat zoiets als ”neutraaltje” betekent. De neutrino moet niet verward worden met de neutron. Een neutron bevindt zich samen met een proton in de meeste atoomkernen; atomen vormen de materie die ons omringt. De neutrino en de neutron hebben één eigenschap gemeen: ze hebben geen elektrische lading. Dat komt tot uitdrukking in hun namen.

De neutrino is een ondeelbaar elementair deeltje met een extreem kleine massa. Neutrino’s komen van de zon en de sterren en dringen supersnel overal doorheen, ook door een laag gesteente van 1400 meter dik. De zon mag wel 150 miljoen kilometer van de aarde verwijderd zijn, een neutrino overbrugt de afstand met de lichtsnelheid, in acht minuten.

Het idee is dat een neutrino alleen kan worden onderschept en onderzocht in een grote detector die is ingekapseld in een omgeving die zo veel mogelijk is gezuiverd van andere elementaire deeltjes en straling. Waar kan dat beter dan in het grootste laboratorium ter wereld dat ook nog eens het diepst onder de grond ligt?

De berg waarin het ondergrondse laboratorium zich bevindt, gedraagt zich als een soort capsule die de continue stroom straling uit het heelal met een factor 1 miljoen vermindert. Bovendien is de natuurlijke radioactiviteit in het laboratorium duizend keer lager dan aan het aardoppervlak. Kosmische straling en radioactiviteit verstoren het onderzoek naar uiterst kleine deeltjes, zoals donkere materie en de neutrino.

Er bestaan wereldwijd ook andere onderaardse laboratoria, veelal voormalige mijnen. Maar die zijn kleiner en het is veel lastiger om er te komen. Er zijn zelfs ook astrofysische onderzoekscentra die diep onder water liggen. Zo bevindt zich een neutrinotelescoop op 2500 meter diepte op de zeebodem voor de kust bij het Zuid-Franse Toulon.

Zwarte gaten

Wat is er dan zo interessant aan een neutrino? De kennis van neutrino’s kan wetenschappers verder helpen met het begrijpen van het heelal, onder andere van het bestaan van zwarte gaten. Maar het is geen kennis die zomaar komt aanwaaien. Sinds 2007, toen de grote neutrinodetector onder de Gran Sasso in gebruik werd genomen, heeft de neutrino zich nauwelijks beter laten kennen.

Het hoofdonderdeel van het project Borexino staat in een van de drie laboratoria. De zogeheten Borexinodetector is een bol met daarin 300 ton vloeibare scintillatiemateriaal – materiaal waarin neutrino’s hun energie kunnen afgeven. Als neutrino’s daarin hun energie afgeven, ontstaat er een lichtflits die door hypergevoelige detectors kan worden vastgelegd. De bol is op zijn beurt afgeschermd door andere lagen om andere kosmische straling –die de detectie van de neutrino’s kan verstoren– tegen te houden.

Aan de buitenkant biedt het een allesbehalve spectaculaire aanblik. De met metaal afgesloten opstelling staat een beetje anoniem achter in de eerste laboratoriumhal.

Behalve Borexino is er in de drie laboratoriumhallen een tiental andere instrumenten opgesteld, waaronder de Cuore. Dat is de grootste bolometer ter wereld. Het apparaat meet invallende elektromagnetische straling, waaronder röntgen- en gammastraling. De opstelling heeft een dubbel afschermingsschild (tegen straling) dat gemaakt is van lood. Het lood is afkomstig van een scheepswrak uit de tijd van het Romeinse keizerrijk. Omdat het lood 2000 jaar onder water lag is het verschoond gebleven van kosmische straling, en biedt daarmee ‘schoon’ afschermingsmateriaal. Dat is zeker wel spectaculair te noemen!

Donkere materie

Het onderzoek naar neutrino’s is al extreem moeilijk, hoewel die deeltjes meetbaar zijn; laat staan de speurtocht naar donkere materie. Donkere materie brengt geen licht voort en reflecteert geen licht. Het is daarom niet waar te nemen, te meten of te detecteren. Hoe dan ook moet donkere materie volgens astrofysici bestaan om de oerknal te kunnen verklaren. Sterker nog, meer dan 95 procent van het universum zou uit ‘onzichtbare’ donkere energie en donkere materie moeten bestaan.

In theorie kan donkere materie worden opgespoord door het te laten botsen met zichtbare materie, en het liefst met deeltjes die een grote massa hebben. Het edelgas xenon is een goede kandidaat, omdat het een hoge atoommassa heeft. Maar dan nog is de kans erg klein dat donkere materie zich laat ‘zien’, ook al omdat donkere materie volgens de theorie nauwelijks botst.

Om de kans op botsingen te vergroten moeten de omstandigheden worden geoptimaliseerd. Een internationaal onderzoeksteam heeft daarom in het binnenste van de Gran Sasso een vat ontwikkeld waarin 3,3 ton vloeibaar en uiterst zuiver xenon is opgeslagen. Het vat is geïnstalleerd in een cilinder van 10 meter doorsnede met daarin water. Dat is om de invloed van de omgeving zo veel mogelijk te verminderen.

Een van de onderzoeksinstituten die aan dit project meewerken, is het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) in Amsterdam.

In de fout

Het is niet alles goud wat er blinkt. Afgelopen najaar waaide een paar gram van het isotoop ruthenium-106 door Europa. De radioactieve wolk was te dun om gevaarlijk te zijn, maar de oorsprong ervan vormde hoe dan ook een mysterie.

Uit onderzoek van het Franse instituut voor nucleaire beveiliging FANC naar het nucleaire lek blijkt dat de wolk waarschijnlijk afkomstig was van een nucleaire fabriek in Zuid-Rusland. In opdracht van de LNGS was daar getracht om materiaal met hoge nucleaire straling te produceren, bestemd voor een experiment in de ondergrondse laboratoria van Gran Sasso. Het experiment is inmiddels afgeblazen.

In 2011 stuurden wetenschappers in het Gran Sassolaboratorium een bundel neutrino’s naar het CERN-laboratorium in Genève. De neutrino’s voltooiden de reis ongeveer zestig nanoseconden sneller dan licht, een onthutsende conclusie. Einsteins relativiteitstheorie, waarbij licht de hoogste snelheid in het heelal heeft, stond op omvallen. Toch waren veel wetenschappers sceptisch. En na een paar maanden bleek dat er een fout was opgetreden: een glasvezelkabel in een van de computers had losgezeten.