Waar komen die Mike Tyson-deeltjes vandaan? 6 december 2008 de Volkskrant

Vorig jaar was het groot nieuws: de energierijkste deeltjes in het heelal zijn afkomstig van superzware zwarte gaten. Nu er meer metingen zijn, weten deeltjesfysici en astronomen het opeens niet meer zo zeker.

Jim Cronin en Alan Watson geven het maar eerlijk toe: ze schrokken een jaar geleden wel een beetje van de enorme media-aandacht voor de publicatie in Science. Die was overigens door het weekblad zelf in gang gezet: de eerste resultaten van het Pierre Auger Observatory vormden op 9 november 2007 het omslagartikel, en er werd een begeleidend nieuwsbericht aan gewijd. Extreem energierijke geladen deeltjes uit het heelal zijn afkomstig uit de omgeving van superzware zwarte gaten – zo’n conclusie wordt door de pers wel opgepikt.

‘Journalisten houden nu eenmaal van zwarte gaten,’ aldus Cronin en Watson, de twee geestelijk vaders van het uitgestrekte detectorpark op de Argentijnse Pampa Amarilla. In werkelijkheid waren de meetgegevens nog niet overtuigend genoeg. Geen wonder: het observatorium was nog in aanbouw, en er waren pas 27 energierijke deeltjes ‘opgevangen’. ‘In het Science-artikel hielden we voldoende slagen om de arm,’ aldus Watson van de Universiteit van Leeds.

Een prematuur artikel dus, als er nog niets definitiefs viel te melden? ‘Zeker niet,’ protesteert Nobelprijswinnaar Cronin, verbonden aan de Universiteit van Chicago. ‘Die eerste metingen lieten al duidelijk zien dat de energierijkste deeltjes niet uit alle richtingen in het heelal komen, en dat ze niet uit ons eigen Melkwegstelsel afkomstig zijn.’ En ja, er leek een correlatie te bestaan met de verdeling van actieve sterrenstelsels in het nabije heelal – sterrenstelsels met superzware zwarte gaten in hun kern.

De twee bejaarde natuurkundigen waren twee weken geleden eregasten tijdens de officiële inauguratie van het Pierre Auger Observatory (genoemd naar de Franse pionier van het kosmische-stralingsonderzoek). Daar gaven ook de vice-president van Argentinië, de gouverneur van de provincie Mendoza, ambassadeurs van de deelnemende landen (waaronder Nederland), en de directeuren van de deeltjeslaboratoria CERN en Fermilab acte de présence. Ten noordoosten van Malargüe, aan de voet van het Andesgebergte, zijn de afgelopen jaren ruim 1600 deeltjesdetectoren – grote watertanks met meetapparatuur – en vier telescoopstations verrezen, verspreid over een gebied zo groot als de provincie Zuid-Holland.

Doel: de herkomst achterhalen van elektrisch geladen deeltjes uit het heelal met energieën van meer dan 300 EeV (exa-elektronvolt). ‘Dat is een energie van ongeveer 1 Tyson,’ grapt de Fransman Antoine Letessier-Selvon, verwijzend naar de vuistslag van de Amerikaanse zwaargewicht bokser Mike Tyson, ‘maar dan samengepakt in één deeltje.’ Van minder energierijke deeltjes (die natuurlijk veel talrijker zijn) zijn de herkomstrichtingen moeilijk te bepalen, omdat ze alle kanten op geslingerd worden door magnetische velden in het Melkwegstelsel. De zeldzame ‘knockout-deeltjes’ hebben daar echter geen last van.

Niet zo gek dus dat iedereen vorig jaar enthousiast was over de eerste – voorlopige – resultaten. Die lieten zien dat de energierijkste deeltjes vooral afkomstig zijn uit een brede band aan de hemel die ruwweg samenvalt met het zogeheten supergalactisch vlak. Daarin bevinden zich ook de meeste nabije actieve sterrenstelsels. Een paar deeltjes leken zelfs direct afkomstig te zijn uit het sterrenstelsel Centaurus A. Theoretici die de link met superzware zwarte gaten eerder al hadden geopperd, waren natuurlijk helemaal in hun nopjes.

Maar op het mini-symposium dat ter gelegenheid van de inauguratie in Malargüe werd gehouden, werd duidelijk dat een definitief antwoord voorlopig nog niet voorhanden is. ‘We zijn nu een jaar verder, en we hebben inmiddels ruim vijftig hoogenergetische deeltjes waargenomen,’ zegt Pierre Auger-wetenschapper Miguel Mostafa van Colorado State University, ‘maar de eerlijkheid gebiedt te zeggen dat de correlatie met actieve sterrenstelsels alleen maar minder overtuigend is geworden.’

De nieuwe metingen zijn nog niet gepubliceerd, en Mostafa wil er daarom niet al te veel over kwijt. Zijn collega Johannes Blümer van het Karlsruhe Institute of Technology lijkt daar minder mee te zitten. Tijdens zijn presentatie op het symposium toont hij een hemelkaart met de herkomstrichtingen van de waargenomen deeltjes. Dat ze van buiten het Melkwegstelsel komen staat buiten kijf, en dat ze afkomstig lijken uit het supergalactisch vlak lijkt ook nog steeds te kloppen. Maar, zegt ook Blümer, ‘we weten nog steeds niet om wat voor deeltjes het precies gaat en waar ze tot die onvoorstelbare energieën worden versneld.’

Pierre Auger-veteranen Jim Cronin en Alan Watson liggen er overigens niet wakker van. In de Science-publicatie van vorig jaar was sprake van een drie-sigma-resultaat. Dat wil zeggen dat er één procent kans was dat de gevonden correlatie op toeval berust. Waarbij aangetekend dient te worden dat zo’n statistische analyse in dit geval erg moeilijk is. Watson: ‘Ik sta open voor elke andere verklaring.’ Cronin: ‘Ik durf niet te voorspellen of te verwachten dat de gevonden link met actieve sterrenstelsels overeind blijft.’

Maar waar kunnen de ‘Tyson-deeltjes’ dán vandaan komen? ‘Mogelijkheden genoeg,’ aldus Mostafa. ‘Gammaflitsen, neutronensterren, clusters van sterrenstelsels, jets van radiostelsels – theorieën volop. Ik zou in elk geval zeer verbaasd zijn als straks zou blijken dat actieve sterrenstelsels toch de enige bron van de hoogenergetische deeltjes zijn.’ Het zou al mooi zijn als er meer bekend was over de aard van de deeltjes. Vermoedelijk gaat het om protonen (waterstofkernen), maar zelfs dat is niet honderd procent zeker.

Ad van den Berg van het Groningse Kernfysisch Versneller Instituut hoopt dat Nederlandse radio-antennes het antwoord dichterbij zullen brengen. Er staan al een paar eenvoudige proefantennes op de pampa; uiteindelijk moeten er 120 komen, in een gebied van twintig vierkante kilometer. ‘De Fransen en de Duitsers zijn ook met radio-experimenten bezig,’ zegt Van den Berg, die in Argentinië een kleine Nederlandse delegatie leidt; ‘het is mijn taak om iedereen de komende tijd op één lijn te krijgen.’ Door het inzetten van radio-antennes is het in principe mogelijk om van veel meer deeltjes de herkomstrichting te achterhalen.

Hoge-energiefysicus Sijbrand de Jong van de Radboud Universiteit Nijmegen, die afgelopen voorjaar samen met een promovendus onder winterse omstandigheden de proefantennes plaatste, legt uit dat er nog wel de nodige kinderziektes overwonnen moeten worden. ‘We weten dat de antennes radiostraling oppikken van deeltjes die de dampkring binnendringen,’ zegt hij, ‘maar de signalen zijn extreem zwak, en verdrinken in de ruis en de storing van andere, onbekende bronnen.’

Deeltjesfysici en astronomen zouden het liefst met een veel groter detectornetwerk aan de slag gaan, en ook de noordelijke sterrenhemel in de gaten willen houden. Er zijn dan ook al plannen om het Argentijnse Pierre Auger Observatory uit te breiden tot vijfduizend vierkante kilometer, en er worden fondsen gezocht voor de bouw van Pierre Auger North, met een oppervlakte van twintigduizend vierkante kilometer, in het zuidoosten van Colorado. Of Cronin en Watson dat nog gaan meemaken, valt te betwijfelen. Cronin: ‘De economie is ons momenteel niet echt gunstig gezind.’

© Govert Schilling

Links: