Een record-event

Het voorgestelde onderzoek is een samenwerking tussen het UvA-Institute of Physics, het Nikhef-instituut voor subatomaire fysica en GRAPPA, het expertisecentrum voor gravitatie- en astrodeeltjesfysica. De onderzoekers ontvangen een ENW-M2-subsidie ​​om twee onderzoekers aan het begin van hun carrière aan te stellen.

KM3NeT is een grote detector voor neutrino’s, in aanbouw op de bodem van de Middellandse zee. Nikhef en de UvA zijn voor Nederland intensief betrokken bij het project, dat zowel speurt naar de bronnen van neutrino’s uit het heelal als de eigenschappen van neutrino’s zelf bestudeert. Heijboer, bijzonder hoogleraar aan de UvA, was tot voor kort science coördinator voor het internationale megaproject.

Bij de inslag van het kosmische neutrino op 13 februari 2023 registreerde de KM3NeT-detector een signaal met zeker 30 keer meer energie dan ooit eerder was gezien bij kosmische neutrino’s. Neutrino’s ontstaan in kosmische deeltjesversnellers zoals de omgevingen van zwarte gaten in het midden van sterrenstelsels. De deeltjes hebben door hun zwakke wisselwerking nauwelijks interacties met andere materie.

Op zoek naar de bron

Het record-event KM3-230213A werd twee jaar later na nauwkeurige analyses bekend gemaakt en prominent in Nature gepubliceerd. Daarbij bleef een belangrijke vraag onbeantwoord: wat kon de bron van het spectaculaire deeltje zijn geweest?

In het OMEN-voorstel van Heijboer en Ando wordt een methode voorgesteld om de bron beter te localiseren. Een belangrijke beperking bij de eerdere analyses was dat de oriëntatie van de detector ten opzichte van de sterrenhemel niet nauwkeurig vaststond.

Heijboer en Ando willen nu in de metingen van KM3NeT twee oriëntatiepunten aan de hemel proberen te vinden: de locaties van de zon en van de maan. Hiervoor gebruiken ze kosmische straling (muonen), die normaal een achtergrond vormt voor de neutrino's. De zon en de maan schermen die deels af.

Als beide ijkpunten in de waarnemingen met de detector kunnen worden aangewezen, maakt dat de plek van de bron aan de hemel beter te vinden. Daarmee kunnen astronomische waarnemingen van het betreffende gebiedje misschien toch een actieve bron laten zien.

OMEN-voorstel

Om dit mogelijk te maken gaan Heijboer en Ando in OMEN (“Origin of the Most Energetic Neutrino”) de kennis van de KM3NeT data-analyse combineren met theoretische berekeningen aan de banen van geladen deeltjes, hun interacties en hun impact op de schaduw van de zon en de maan in de KM3Net-metingen.

Volgens Heijboer is het vinden van de bron voor KM3-230213A ook interessant omdat het de eerste meting zou kunnen blijken van het ontstaan van neutrino’s uit de intergalactische ruimte. Gewoonlijk worden zwarte gaten in de kern van melkwegstelsels aangewezen als de bron van kosmische neutrino’s.

Maar in theorie kunnen ook extreem hoogenergetische neutrino’s vrijkomen als kosmische stralen zoals protonen of atoomkernen botsen met fotonen van de kosmische achtergrondstraling. Zulke kosmogene neutrino’s zijn nog nooit eerder waargenomen.