| Onmogelijke afstand
Volgens berekeningen met de kwantumveldentheorie, die alle subatomaire deeltjes beschrijft, komen deeltjes die ontstaan met méér energie dan de GZK-limiet 'maar' 50 megaparsec (160 miljoen lichtjaar) van hun bron. De dichtsbijzijnde melkweg, Andromeda, ligt bijna drie miljoen lichtjaar van ons af. Binnen 50 megaparsec zijn er geen bronnen te vinden van straling die tegen de GZK-limiet aanhikt.
"Kosmische straling komt uit allerlei bronnen, zoals de zon, supernovae in de melkweg, maar ook extremere explosies als hypernovae", vertelt prof. dr. Pierre van Baal, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden. Hij coördineert de Leidse cluster van het Nederlandse HiSparc-project. In dat project plaatsen middelbare scholen een deeltjesdetector op hun daken en delen hun meetdata met universiteiten in de regio. Het zou mooi zijn als HiSparc heel Nederland in één grote deeltjesdetector kon veranderen.
Volgens Van Baal zit de meeste kosmische straling braaf onder de GZK-grens. De zon kan bijvoorbeeld zeker niet meer 1016 eV in zijn straling stoppen. Het overgrote deel van zonnestraling heeft een veel lagere energie. "Dé puzzel is nu: waar komt die straling boven de GZK-limiet vandaan?" Volgens de hoogleraar kan ook Hisparc die overtreders oppakken. "We hebben zo'n uitschieter ook in Nederland waargenomen, met de HiSparc-detectoren in Nijmegen", zegt hij." Waar de theorie-brekers vandaan komen weet Van Baal niet zeker. Speculaties genoeg, maar er zijn nog niet genoeg gegevens om iets definitiefs te kunnen zeggen.
HiSparc-detectoren op het dak van de Leidse Natuurkunde-faculteit. bron: Lorentz instituut, HiSparc. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Volgens sterrenkundigen kan zelfs een gammaflits, de explosie van een zware ster als hypernova, geen deeltjes versnellen tot voorbij de GZK-limiet. Stellaire processen missen eenvoudig de kracht om zoveel energie in één deeltje te stoppen. Alleen katapultbanen rond een extreem groot zwart gat zoals in een quasar leveren volgens de theorie voldoende energie. Quasars zijn de heldere kernen van jonge sterrenstelsels en staan allemaal op enorme afstand van de aarde: 240 tot 5500 megaparsec ver. Dat is ruim voorbij de afstand waarin de microgolf achtergrond zulke straling afremt.
Spoken
"Je hebt hier een mooie tegenspraak tussen theorie en waarnemingen", zegt Van Baal met plezier. "Er klopt iets niet helemaal in ons model van kosmische straling. Misschien zien we iets over het hoofd." Eén van de hypotheses in de natuurkundige gemeenschap is, dat de kosmische straling van hoge energie een weg rond de microgolf achtergrond heeft gevonden. Onze detectoren zouden dan indirect spoken zien: neutrino's.
De fotonen in de microgolfstraling kunnen fotonen en geladen atoomkernen afremmen, omdat ze allemaal gevoelig zijn voor de elektromagnetische kracht. Niet alle subatomaire deeltjes reageren op die kracht. Neutrino's bijvoorbeeld zijn ladingsloze deeltjes die in grote hoeveelheden ontstaan bij kernreacties in de zon, super- en hypernovae. Ze kunnen enorme energieën bereiken, maar glippen als spoken door allerlei materie heen.
Neutrino's zijn overal, maar ze reageren zó zelden met normale materie, dat er in een heel leven maar een stuk of drie met een mens botsen. En dat ondanks en immense hagel van neutrino's die de zon als bijproduct van zijn kernfusie aanmaakt: per seconde razen er een biljard (1015) neutrino's door ons lichaam. Naar schatting produceerde de Oerknal zoveel neutrino's, dat er nu nog zo'n 150 per kubieke centimeter ruimte zijn. Een ware mist van spookdeeltjes. In gigantische deeltjesdetectors als de Japanse Super Kamiokande worden er een paar per jaar gevangen als ze botsen met het ultrazuivere water in de detector. De wand van het bassin is16 meter breed en is behangen met fotocellen die de lichtflitsjes van zulke botsingen waarnemen.
bron: Super Kamiokande.
"Een interessante hypothese die ik laatst tegenkwam is dat hypersnelle neutrino's de uitschieters in de kosmische straling veroorzaken", vertelt Van Baal. De neutrino's zouden ver weg ontstaan en ongehinderd door het heelal reizen. Heel zelden kunnen ze botsen met neutrino's in de neutrino achtergrond; de oerknal straalde niet alleen licht uit, maar ook neutrino's. Net als de microgolf achtergrond is de neutrino achtergrond een nagloeier van de Oerknal. En net als de microgolf achtergrond kan de neutrino achtergrond deeltjes dwingen te vervallen in een fontein van andere deeltjes. In deze verklaring brengen de neutrino's energie van een verre bron dichtbij de aarde en zetten die daarna om in 'normale' kosmische straling.
"Het mooie aan dit mechanisme is, dat het een ingebouwde voorkeur heeft om straling rond de 1020 eV te produceren", aldus Van Baal: "Reken je namelijk door wat er gebeurt als een supersnel en een bijna stilstaand neutrino op elkaar botsen, dan blijkt daar een Z-deeltje bij betrokken te zijn." Het verval van neutrino's via het Z-deeltje, dat de zwakke wisselwerking overbrengt, komt vooral voor als de deeltjes met een energie rond de 1020 eV op elkaar knallen. Precies het energieniveau van de uitschieters boven de GZK-limiet. Dé verklaring voor al te harde kosmische straling is dus misschien: we zien gewoon spoken.
|
