Sterrenkunde on the rocks

Simon

De Kockere

Het mysterie van de kosmische straling

Begin vorige eeuw kwam men tot de ontdekking dat de aarde voortdurend gebombardeerd wordt door geladen deeltjes die van buiten het zonnestelsel komen, doorgaans de kosmische straling genoemd. Merkwaardig genoeg kunnen deze deeltjes tot wel meer dan tien miljoen keer zo veel energie hebben als wat we met de meest energetische deeltjesversnellers hier op aarde kunnen bereiken.

Wetenschappers zijn zich dan ook beginnen afvragen van waar die deeltjes nu precies vandaan komen en welke fascinerende mechanismen in de ruimte in staat zijn om ze zo veel energie te geven. Al gauw botsten ze echter op een fundamenteel probleem. Doordat de deeltjes geladen zijn, zijn ze onderhevig aan allerlei interacties tijdens hun reis naar de aarde. Zo worden ze bijvoorbeeld afgebogen door magnetische velden, waaronder dat van de aarde zelf, of worden ze verstrooid door wolken van gas en stof. Dit betekent dat het detecteren van de kosmische straling hier op aarde niet kan uitwijzen waar de deeltjes precies vandaan komen en door welke energetische processen ze nu juist versneld worden.

Gelukkig kan een zeer bijzonder elementair deeltje, het neutrino, ons uit deze benarde situatie redden. In tegenstelling tot de kosmische straling draagt het neutrino geen elektrische lading en kan het zo enkel zwakke interacties ondergaan, wat betekent dat het ongestoord doorheen de ruimte kan propageren. Vandaar dat het neutrino ook wel eens ‘het spookdeeltje’ wordt genoemd. We verwachten dat kosmische straling tijdens of kort na het versnellen botst met materie in de omgeving en zo tot productie van neutrino’s leidt. Die neutrino’s bereiken net als de kosmische straling ook de aarde, met het grote verschil dat zij wel wijzen naar hun bronnen. Detectie van neutrino’s zou ons dus op een elegante manier kunnen vertellen waar de kosmische straling vandaan komt en welke versnellingsmechanismen hen zo veel energie kunnen geven.

Het IceCube Neutrino Observatorium

Dit idee leidde tot de constructie van een enorme detector op de Zuidpool, uiteindelijk tot het IceCube Neutrino Observatorium gedoopt en actief sinds 2013. Opgebouwd uit 5160 optische modules verspreid over een kubieke kilometer ijs is het met zijn enorm volume in staat zo’n zelden botsend neutrino toch af en toe eens op te vangen. Een neutrino dat in het ijs een interactie ondergaat geeft aanleiding tot de ontwikkeling van een lichtsignaal dat gedetecteerd wordt door de modules. Op basis hiervan worden dan eigenschappen van het deeltje gereconstrueerd, zoals bijvoorbeeld de richting waaruit het gekomen is, om zo op een vernieuwende manier ons universum te bestuderen. Het observatorium heeft echter te kampen met veel andere signalen die deze van de astrofysische neutrino’s overschaduwen, voornamelijk afkomstig van neutrino’s en andere deeltjes gecreëerd tijdens botsingen van kosmische straling met moleculen in de atmosfeer van de aarde. De voornaamste uitdaging van de meeste IceCube-onderzoeken is dan ook de interessante signalen uit een berg data proberen te filteren.

IceCube lab bovenop de IceCube detector dat zich diep in het ijs bevindt, bron: www.wisconsinacademy.org

De zoektocht naar Double Bang signalen

Voor zover we weten bestaan er in totaal drie verschillende soorten neutrino’s. Elke soort is gelinkt aan een ander elementair deeltje. Zo hebben we het elektron neutrino, gelinkt aan het reeds lang gekende elektron, alsook het muon neutrino en het tau neutrino. Elke soort geeft aanleiding tot andere vormen van lichtsignalen in de detector. Deze scriptie richt zich specifiek op de zoektocht met het IceCube Observatorium naar neutrino’s van de derde soort, de tau neutrino’s. Van tau neutrino’s verwachten we dat ze enkel uit de ruimte kunnen komen. De twee andere soorten neutrino’s worden bijvoorbeeld ook in de atmosfeer gemaakt, en die lijken in eerste instantie erg op deze die uit de ruimte komen. Verder heeft het typische lichtsignaal van zo’n tau neutrino in de detector, het zogenaamde ‘Double Bang’ signaal, ook erg gunstige eigenschappen. Het levert een goede resolutie op bij zowel de bepaling van de energie van het neutrino als de richting waaruit het gekomen is. Het bepalen van de hoeveelheid tau neutrino’s die de aarde bereiken per tijdseenheid levert ook interessante informatie op over de interacties van kosmische straling in de omgeving van hun versnellers. Tot nog toe heeft geen enkel IceCube-onderzoek tau neutrino signalen aan het licht kunnen brengen, gewoonweg omdat ze erg moeilijk te onderscheiden zijn van al de andere signalen.

In mijn scriptie probeer ik de zoektocht naar Double Bang signalen in IceCube van Matthias Vraeghe te verbeteren. Er wordt een methode onderzocht die probeert Double Bang signalen te onderscheiden van de andere signalen, wat we in dergelijke analyses de achtergrondsignalen noemen, aan de hand van een variabele gebaseerd op verschillende parameters. Dit zijn parameters bedacht door Matthias die ons een indicatie geven over hoe hard een gegeven signaal lijkt op zo'n Double Bang signaal. Deze scriptie toont aan dat we kunnen verwachten dat de toevoeging van de methode aan de analyse Matthias' resultaten verder verfijnt. De analyse is dan in staat meer signalen correct als achtergrondsignalen te herkennen, zonder daarbij ook significant meer Double Bang signalen verkeerdelijk als achtergrondsignalen te labelen. Het verwachte aantal Double Bang signalen die de analyse zal kunnen blootleggen in de huidige hoeveelheid IceCube-data blijft dus, net als bij Matthias, wel erg laag. Dit houdt in dat ook deze analyse er op dit moment nog niet in zal slagen tau neutrino signalen in IceCube te onthullen.

Recent toonde het IceCube experiment aan dat de ruimte bestuderen aan de hand van neutrino’s wel degelijk baanbrekende resultaten kan opleveren. Zo’n 100 jaar na de ontdekking van het bestaan van kosmische straling is het observatorium er voor het eerst in geslaagd een bron ervan te identificeren. Het gaat om een blazar, een sterrenstelsel met een snel draaiend massief zwart gat in zijn kern, uit het sterrenbeeld Orion. Het grote succes van het IceCube Observatorium verantwoordt enkele uitbreidingen van de detector, die ons onder andere zullen toelaten efficiënter te kunnen zoeken naar Double Bang signalen. Al staat neutrino-astronomie nog maar in haar kinderschoenen, ze toont alvast veelbelovende resultaten.

Illustratie van een blazar, bron: www.universetoday.com