Het 'IceCube' neutrino-observatorium diep in het ijs van de Zuidpool heeft al spectaculaire nieuwe inzichten opgeleverd in kosmische incidenten met extreem hoge energieën. Om de kosmische oorsprong van elementaire deeltjes met nog hogere energieën te onderzoeken, Prof. Elisa Resconi van de Technische Universiteit van München (TUM) is nu een internationaal initiatief gestart om in de noordoostelijke Stille Oceaan een neutrinotelescoop van enkele kubieke kilometers groot te bouwen.

Astronomen observeren het licht dat naar ons toekomt van verre hemellichamen om het heelal te verkennen. Echter, licht vertelt ons niet veel over de gebeurtenissen met de hoogste energie buiten onze Melkweg, zoals de jets van actieve galactische kernen, gammaflitsen of supernova's, omdat fotonen in het hogere gammastralingsbereik hun extreme energie verliezen op hun lange weg door het heelal door interactie met andere deeltjes.

Net als licht, neutrino's doorkruisen de ruimte met de snelheid van het licht (bijna) maar interageren uiterst zelden met andere deeltjes. Ze behouden hun energie en richting, wat hen tot unieke boodschappers van het hoogste energie-universum maakt.

Boodschapper van verre kosmische gebeurtenissen

Sinds 2013, toen de IceCube Neutrino Observatory voor het eerst extragalactische neutrino's detecteerde, astrofysici hebben ernaar gestreefd te begrijpen uit welke kosmische bronnen ze komen en welk fysiek mechanisme ze heeft versneld tot zulke extreme energieën.

Echter, om de puzzel op te lossen, er zijn meer detectoren nodig met nog grotere volumes dan die van het IceCube Observatory ter grootte van een kubieke kilometer. Omdat neutrino's niet direct kunnen worden waargenomen, alleen door Cherenkov-straling, de detectoren moeten zich in ijs of in water bevinden.

Initiatief voor een nieuwe neutrinotelescoop in de Stille Oceaan

Prof. Elisa Resconi, woordvoerder van het Collaborative Research Centre 1258 en Liesel-Beckmann Chair for Experimental Physics with Cosmic Particles aan de TUM, is inmiddels een internationaal initiatief gestart voor een nieuwe neutrinotelescoop in de Stille Oceaan voor de kust van Canada:het Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE).

Met dat doel, Resconi werkt samen met een faciliteit van de Universiteit van Victoria, Ocean Networks Canada (ONC), een van 's werelds grootste en meest geavanceerde bekabelde oceaanobservatoria.

Ideale omstandigheden voor een neutrino-observatorium

Het ONC-netwerkknooppunt in het Cascadia-bassin op een diepte van 2660 meter werd geselecteerd voor P-ONE. De uitgestrekte abyssale vlakte biedt ideale omstandigheden voor een neutrino-observatorium van enkele kubieke kilometers.

In de zomer van 2018, ONC verankerde een eerste pathfinder-experiment in het Cascadia-bekken:het STRAW-experiment (Strings for Absorption length in water), twee snaren van 140 meter lang, uitgerust met lichtzenders en sensoren om de verzwakking van licht in het oceaanwater te bepalen, een parameter die cruciaal is voor het ontwerp van P-ONE. In september 2020, STRAW-b wordt geïnstalleerd, een staalkabel van 500 m met extra detectoren. Beide experimenten zijn ontwikkeld en gebouwd door de onderzoeksgroep van Resconi van de afdeling Natuurkunde van TUM.

Volgende stappen in 2023/24

Het eerste segment van P-ONE, de Stille Oceaan Neutrino Explorer, een ring met zeven 1000 meter lange snaren met elk 20 detectoren, is gepland om te worden geïnstalleerd in ONC's marine operatieseizoen in 2023/24 in samenwerking met verschillende Canadese universiteiten.

"Astrofysische neutrino's hebben nieuwe mogelijkheden ontgrendeld om onze kennis van het extreme universum aanzienlijk te vergroten, " zegt Darren Grant, hoogleraar aan de Michigan State University (VS), en woordvoerder van de IceCube-samenwerking. "P-ONE biedt een unieke kans om grootschalige inzet van neutrino-detectoren in de diepe oceaan te demonstreren, een cruciale stap op weg naar het bereiken van het doel van een wereldwijd verbonden neutrino-observatorium dat een maximale gevoeligheid van de hele hemel zou bieden voor deze ideale kosmische boodschappers."

Elisa Resconi verwacht dat P-ONE met zijn zeven segmenten tegen het einde van het decennium voltooid zal zijn. "Het experiment zal dan perfect zijn uitgerust om de herkomst van de extragalactische neutrino's bloot te leggen, " zegt Resconi, "maar wat meer is, hoogenergetische neutrino's hebben ook het potentieel om de aard van donkere materie te onthullen."

Het P-ONE-project omvat de Technische Universiteit van München (Duitsland), Universiteit van Victoria en Ocean Networks Canada, Universiteit van Alberta, Koninginneuniversiteit, Simon Fraser University (heel Canada), Michigan State University (VS), Europese Zuidelijke Sterrenwacht, Goethe-universiteit Frankfurt, GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, en Max Planck Instituut voor Natuurkunde (helemaal Duitsland).

Het project krijgt steun van Ocean Networks Canada, een initiatief van de Universiteit van Victoria, gedeeltelijk gefinancierd door de Canada Foundation for Innovation. Dit werk wordt gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) via subsidie ​​SFB 1258 "Neutrinos and Dark Matter in Astro- and Particle Physics" en het cluster van excellentie "Origin and Structure of the Universe".

Bijzonder aan de modules:ze bevatten kunstwerken van jonge internationale kunstenaars die een verbinding tussen de aarde en de diepzee creëren en zo het pathfinder-experiment tot een unieke onderwatertentoonstelling maken.