De fundamentele krachten van het universum ontdekken - Vacuümtechnologie voor het verkennen van de kosmos

De fundamentele krachten van het universum ontdekken - Vacuümtechnologie voor het verkennen van de kosmos

2100 meter onder de grond zoeken de fysici van SNOLAB naar de minuscule en (bijna) ongrijpbare bouwstenen van het universum: neutrino’s.
WoV-Snolab.jpg

Neutrino's zijn elementaire deeltjes zonder elektrische lading die met nagenoeg de lichtsnelheid door het heelal razen. Omdat ze niet elektrisch zijn geladen komen ze bijna nooit in contact met materie en kunnen ze dus vrijwel ongehinderd door de kosmos reizen. Hierdoor kunnen ze zeer grote afstanden afleggen en naar de aarde reizen vanuit de meest afgelegen sterrenstelsels. Ze zijn echter moeilijk te onderzoeken, omdat ze nauwelijks te vinden zijn.

Detectie met lichtflitsen

Om deze minuscule elementaire deeltjes te vinden hebben onderzoekers een ondergronds natuurkundelaboratorium opgezet in een nikkelmijn in de Canadese stad Sudbury (Ontario), SNOLAB. Hier hebben de wetenschappers toegang tot een cleanroom van 5000 vierkante meter. Een laag gesteente van 2100 meter dik beschermt het lab tegen kosmische straling – alleen neutrino's kunnen dit schild doorbreken. In het hart van het laboratorium bevindt zich de neutrinodetector, die bestaat uit een bolvormige acryl tank met een diameter van 12 meter.

Voor de experimenten, die momenteel worden uitgevoerd onder de naam SNO+, wordt deze tank gevuld met 800 metrische ton van een speciale vloeistof die is gemaakt van de koolwaterstof lineair alkylbenzeen (LAB). Deze vloeistof geeft uv-straling af wanneer het in contact komt met ioniserende straling. Het uv-licht stimuleert vervolgens een kleurstof die is opgelost in de vloeistof, die dan blauw fluoresceert. Elke neutrino die door de vloeistof beweegt en dicht genoeg bij de atoomkern komt en contact maakt zal dus kleine lichtflitsen veroorzaken. Deze worden waargenomen door zeer gevoelige sensoren die zijn opgesteld rondom de tank.

Om te garanderen dat deze subatomaire deeltjes succesvol worden waargenomen moeten alle ongewenste stoffen worden verwijderd uit het LAB. Dat wordt gedaan met behulp van vacuümtechnologie. Vacuümpompen genereren een negatieve druk van 20 millibar in het reinigingssysteem. In een destillatieproces met meerdere stappen worden bij een temperatuur van 238 graden Celsius zelfs de kleinste sporen van zware metalen uit de vloeistof verwijderd. Waterdamp en stikstof worden vervolgens door de vloeistof gespoten in een zogenaamde stripperkolom, wederom in vacuüm. Dit verdrijft de gassen radon, krypton, argon en zuurstof en reguleert het watergehalte in de vloeistof. Condensors geplaatst bij de luchtuitlaten van de vacuümpompen waarborgen een betrouwbare recuperatie van de dampen. Hier worden de uitlaatgassen van het reinigingsproces gekoeld, vloeibaar gemaakt en in de vaten geleid.

Nobelprijs voor onderzoek naar neutrino's

In de nieuwe SNO+ experimenten vervangt LAB het zware water waarmee de tank was gevuld tijdens het eerste SNO-project. De onderzoeksleider van het SNO-experiment, Arthur McDonald, heeft in 2015 voor dit onderzoek de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvangen. Van 1999 tot 2006 gebruikte hij dit zware water om neutrino's te onderzoeken die in zonlicht door middel van kernfusie werden geproduceerd. De resultaten kwamen echter niet overeen met de voorspellingen van het standaard model van de natuurkunde, waarin wordt verondersteld dat neutrino's geen massa hebben.

In plaats daarvan werden de vastgestelde afwijkingen verklaard door de alternatieve theorie van neutrino-oscillatie: de drie typen neutrino's (elektron-, muon- en tau-neutrino) kunnen in elkaar overgaan. Dit is echter alleen mogelijk als ze een massa hebben, hoe klein ook.

Vergeleken met het originele experiment met zwaar water wordt er een behoorlijke hoeveelheid licht uitgestraald bij contact tussen neutrino's en het LAB. Het belangrijkste doel van de nieuwe studie is het onderzoeken van het controversiële proces van het dubbele bètaverval zonder neutrino's. Daarnaast kan de vloeistof LAB ook gebruikt worden om proton-elektron-proton(PEP)-zonneneutrino's te bestuderen. Andere doelen zijn onder andere het detecteren van geoneutrino's die ontstaan uit radioactieve vervalprocessen in de aarde en reactorneutrino's die ontstaan uit kernsplijtingreacties. Het is ook mogelijk om neutrino's die ontstaan uit een supernova waar te nemen, zodra er een plaatsvindt in ons sterrenstelsel. De onderzoekers hopen door middel van hun onderzoek naar neutrino's meer inzicht te krijgen in de fundamentele krachten van het universum.

SNOLAB maakt sinds 2012 gebruik van vacuümtechnologie van Busch.


Abonneer u op de "World of Vacuum"-nieuwsbrief!
Abonneer u nu en blijf up-to-date met het laatste fascinerende nieuws op het gebied van vacuüm.

ABONNEREN

Wilt u meer weten?
We geven u graag meer informatie. Contact Busch Nederland:
+31 (0)348 46 23 00 Neem contact met ons op