Thema 4
English follows Dutch
Signalen uit de kosmos
Deeltjes slaan soms met enorme energie in op de aarde en de atmosfeer, of vliegen er juist haast ongehinderd doorheen. En ook de ruimte zelf trilt waarneembaar. De vraag is wat de bronnen zijn van al deze kosmische deeltjes en golven, en hoe goed onze theorieën ze kunnen beschrijven.
Onderzoekers hebben deze kosmische processen niet in de hand, en zullen moeten afwachten wat zich aandient. Ze gebruiken vaak reusachtige detectoren, om zeldzame gebeurtenissen toch te kunnen opmerken. Deze detectoren staan meestal op afgelegen locaties, zodat ze geen last hebben van verstoringen.
Nikhef is wereldwijd actief in de astrodeeltjesfysica. In Argentinië werken onderzoekers aan het Pierre Auger observatorium voor kosmische straling. In de Middellandse Zee wordt op kilometers diepte de KM3NeT-neutrinotelescoop gebouwd. Onder een berg in Italië wacht de XENON-detector op binnenkomende donkere materiedeeltjes. De Virgo-detector bij Pisa meet subtiele zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten of neutronensterren in het heelal.
Signals from the cosmos
Particles sometimes strike the earth and atmosphere with enormous energy or, on the contrary, fly through it almost unhindered. And space itself also vibrates perceptibly. The question is what the sources of all these cosmic particles and waves are, and how well our theories can describe them.
Researchers do not control these cosmic processes, and must simply wait what presents itself. They often use giant detectors, to notice rare events anyway. These detectors are usually in remote locations, to avoid disturbances.
Nikhef is active in astroparticle physics worldwide. In Argentina, researchers are working on the Pierre Auger Observatory for cosmic rays. Deep in the Mediterranean Sea, the KM3NeT neutrino telescope is being built. Under an Italian mountain, the XENON detector waits for incoming dark matter particles. The Virgo detector near Pisa measures subtle gravitational waves from colliding black holes or neutron stars in the universe.
Zwaartekrachtsgolven / Gravitational Waves
Zwaartekrachtsgolven zijn extreem kleine rimpelingen van de ruimtetijd die ontstaan doordat in het universum zwarte gaten of neutronensterren op elkaar botsen. Een eeuw geleden werden ze al voorspeld en in 2015 voor het eerst gemeten. Sindsdien zijn met de LIGO-detectoren in de VS en Virgo in Europa zwaartekrachtsgolven van vele tientallen verre botsingen waargenomen. Zulke metingen bieden een nieuw astronomisch venster op het universum en helpen ook mee om Einsteins relativiteitstheorie te testen.
Bij het passeren veroorzaken zwaartekrachtsgolven kleine afstandsvariaties die in interferometers als LIGO en Virgo gedetecteerd worden. Onderzoekers meten die variaties met laserstralen die heen en weer kaatsen tussen roerloze spiegels in kilometerslange armen. De armen zijn zo groot om uiterst subtiele variaties te kunnen meten. De metingen worden in een internationale samenwerking onder meer op Nikhef geanalyseerd. Daarnaast bouwt Nikhef mee aan verdere verbeteringen van de Virgo-detector bij Pisa.
Nikhef is ook betrokken bij de voorbereidingen voor een nieuwe ondergrondse detector met armen van 10 kilometer, de Einstein Telescope. Onder andere de grensregio van Zuid-Limburg (Euregio Maas-Rijn) wordt overwogen als locatie. In Maastricht wordt in de ETpathfinder-faciliteit nieuwe technologie voor deze detector getest.
_________________
Gravitational waves are extremely small ripples in spacetime created when black holes or neutron stars collide in the universe. They were predicted a century ago and measured in 2015 for the first time. Since then, the LIGO detectors in the US and Virgo in Europe have observed gravitational waves from many dozens of distant collisions. Such measurements provide a new astronomical window on the universe and also help test Einstein’s theory of relativity.
As they pass, gravitational waves cause small distance variations that are detected in interferometers such as LIGO and Virgo. Researchers measure those variations with laser beams bouncing back and forth between motionless mirrors in kilometre-long arms. The length of the arms allows for the measurement of extremely subtle variations. The measurements are analysed in an international collaboration including Nikhef. In addition, Nikhef is helping to further improve the Virgo detector near Pisa.
Nikhef is also involved in the preparations for a new underground detector with 10 kilometres long arms called the Einstein Telescope. Among other places, the border region of South Limburg (Euregio Meuse-Rhine) is being considered as a potential location. New technology for this detector is being tested at the ETpathfinder facility in Maastricht.
Donkere Materie / Dark Matter
Het heelal blijkt niet alleen gevuld te zijn met zichtbare sterren en sterrenstelsels. Ongeveer 85 procent van de materie die zwaartekracht veroorzaakt, straalt geen licht uit en is daarmee onzichtbaar. Fysici denken dat dit wijst op nieuwe, nog onbekende deeltjes die nauwelijks interactie hebben met gewone materie, de zogenoemde donkere materie.
De XENON-detector onder de Gran Sasso bergen in Italië probeert donkere materie waar te nemen met een groot vat zuiver vloeibaar xenon. Miljarden deeltjes donkere materie zouden per seconde vrij door de vloeistof moeten vliegen. Maar in zeldzame gevallen zou een donkere-materiedeeltje toch een xenon-atoom kunnen raken. Zo’n botsing veroorzaakt in de detector een lichtflits, plus bewegende elektronen die verderop nog een tweede lichtflits genereren.
Diep onder de bergen is het XENON-experiment afgeschermd van storende invloeden. Nikhef is intensief betrokken bij XENON. Tot nu toe zijn er nog geen donkere-materiedeeltjes gezien, maar het vergt jaren geduld om genoeg gegevens te verzamelen voor een eventuele ontdekking.
_________________
As it turns out, the universe is not only filled with visible stars and galaxies. About 85 percent of the matter that causes gravity do not emit light and is therefore invisible. Physicists think this points to new, as yet unknown particles with only rare interaction with ordinary matter, called dark matter.
The XENON detector under the Gran Sasso mountains in Italy attempts to observe dark matter with a large vessel of pure liquid xenon. Billions of particles of dark matter should pass freely through the liquid every second. But on rare occasions, a dark matter particle might still hit a xenon atom. Such a collision causes a flash of light in the detector, plus moving electrons that generate a second flash of light further away.
Deep under the mountains, the XENON experiment is shielded from interfering influences. Nikhef is intensively involved in XENON. So far, no dark matter particles have been observed, but it takes years of patience to collect enough data for a possible discovery.
Kosmische straling / Cosmic Rays
De aarde wordt constant gebombardeerd door deeltjes uit het heelal. Wat hun bronnen zijn, is niet goed bekend. Soms hebben deze deeltjes extreem hoge energie. Hun inslag in de atmosfeer veroorzaakt lawines van andere deeltjes, die vanaf het aardoppervlak kunnen worden waargenomen. Deze kosmische straling biedt natuurkundigen een andere manier om naar deeltjesprocessen te kijken dan met versnellers op aarde.
Het Pierre Auger observatorium bestudeert kosmische straling vanaf de pampa in Argentinië. Nikhef is deelnemer aan het project en bouwt mee aan verbeteringen en uitbreidingen van de detectoren.
Het observatorium bestaat uit vele honderden watergevulde tanks verspreid over een gebied zo groot als de provincie Utrecht. Deze tanks observeren de deeltjeslawines in de atmosfeer. Antennes en telescopen helpen om deze verder in kaart te brengen.
__________
Earth is constantly bombarded by particles from the universe. What their sources are is not well known. Sometimes these particles have extremely high energy. Their impact in the atmosphere causes avalanches of other particles, which can be observed from the Earth’s surface. These cosmic rays offer physicists a different way of looking at particle processes than with accelerators on Earth.
The Pierre Auger Observatory studies cosmic rays in the pampa in Argentina. Nikhef is a participant in the project and is helping to build improvements and extensions to the detectors.
The observatory consists of many hundreds of water-filled tanks spread across an area the size of the province of Utrecht. These tanks observe the particle avalanches in the atmosphere. Antennas and telescopes help to further map them.
Neutrino’s zijn spookachtige deeltjes die ontstaan bij processen in atoomkernen, op aarde maar ook in de zon en in andere objecten verder weg in de kosmos. Ze vormen een nog raadselachtig onderdeel van de deeltjeswereld. Neutrino’s zijn vrijwel massaloos en vliegen bijna ongehinderd door materie heen. Alleen omdat er vele miljarden neutrino’s per seconde langskomen, is er nu en dan toch een die wel met een atoom op aarde botst en daardoor kan worden waargenomen.
Op de bodem van de Middellandse Zee bij het Franse Toulon en bij Sicilië in Italië bouwt Nikhef mee aan de reusachtige KM3NeTdetector om passerende neutrino’s te observeren.
KM3NeT gaat een kubieke kilometer zeewater in de gaten houden. Heel af en toe botst er in het donkere water een neutrino op een ander deeltje. Als dat gebeurt, ontstaat er een lichtspoor dat met een woud van lichtgevoelige fotobuizen wordt opgevangen. Deze sporen kunnen wijzen in de richting van bronnen van de neutrino’s in het heelal. Daarbij wordt samengewerkt met astronomen. Daarnaast bestudeert KM3NeT de eigenschappen van neutrino’s zelf, bijvoorbeeld hun massa’s en hun vermogen om van identiteit te veranderen.
___________
Neutrinos are ghostly particles created by processes in atomic nuclei, both on Earth as well as in the Sun and in other more distant cosmic objects. They are still an enigmatic part of the particle world. Neutrinos are virtually massless and fly mostly unhindered through matter. Out of the many billions of neutrinos passing by every second, one only occasionally collides with an atom on Earth and can therefore be observed.
At the bottom of the Mediterranean Sea near Toulon in France and near Sicily in Italy, Nikhef is helping to build the giant KM3NeT detector to observe passing neutrinos.
KM3NeT will monitor a cubic kilometre of seawater. Very occasionally, a neutrino collides with another particle in the dark water. When that happens, it creates a trail of light that is captured using a forest of light-sensitive phototubes. These tracks can point in the direction of sources of the neutrinos in the universe. This involves collaboration with astronomers. In addition, KM3NeT studies the properties of neutrinos themselves, such as their masses and their ability to change identity.
