Dertig uur reizen, drie vluchten, en nog vier uur te gaan, dit keer in een bus die door de uitgestrekte, stille Argentijnse steppe rijdt. Links en rechts van ons strekt de pampa zich eindeloos plat uit, totdat de Andes plotseling oprijzen langs de westelijke horizon, een muur van rots en ijs van enkele duizenden meters hoog. Dan, als de zon ondergaat, begint iets anders te verschijnen. Elke paar honderd meter staat er een eenzame plastic cilinder met een antenne naast de weg, zover het oog reikt. Het zijn er in totaal 1600, verspreid over 3000 vierkante kilometer steppe; een oppervlakte ongeveer zo groot als het gebied tussen Nijmegen, Den Bosch en Eindhoven. Samen vormen ze het Pierre Auger-observatorium, en we hebben de halve wereld doorkruist om dat te bezoeken.

De detectors van het Pierre Auger-observatorium bestrijken een oppervlak zo groot als het gebied tussen Nijmegen, Den Bosch en Eindhoven.

We waren daar voor de vergadering van ons samenwerkingsverband, een reünie die twee keer per jaar plaatsvindt. Onderzoekers uit tientallen landen, die samen de Pierre Auger Collaboration vormen, reizen dan naar Malargüe om resultaten te delen, te discussiëren over data en uit te zoeken wat er hierna komt. Tegelijkertijd gingen we ook apparatuur testen die we onlangs voor ons onderzoek hadden aangeschaft. Tussen de sessies door moesten we het veld in waar de detectoren stonden en iets heel eenvoudigs meten: precies waar ze staan, tot op centimeters nauwkeurig. Het klinkt als iets wat je met je mobieltje zou kunnen doen, maar dat is het niet.

Tennisbal

Wat doen 1600 detectoren midden in niemandsland? Ze wachten. Ergens in het universum, door de gewelddadige dood van een ster, of in de buurt van een zwart gat, of ergens waar we nog geen weet van hebben, worden deeltjes versneld tot energieën die alles wat we op aarde kunnen maken verre overtreffen. Deze deeltjes worden kosmische straling genoemd.

Om hun energie in perspectief te plaatsen: stel je een enkel deeltje voor dat je raakt met dezelfde kracht als een tennisbal die met 90 kilometer per uur wordt geserveerd. Wanneer een van deze kosmische deeltjes met bijna de lichtsnelheid de atmosfeer ramt, veroorzaakt dat een lawine van miljarden secundaire deeltjes die over tientallen vierkante kilometers neersproeien, wat in vaktermen een extensive air shower heet. Die duurt een paar microseconden. Wie vist naar zo'n hoge energie, heeft een net nodig zo groot als een provincie, en het geduld om te wachten.

Het Pierre Auger-observatorium is zo'n net. De bouw begon in 2002 en werd voltooid in 2008, met de detectietanks verspreid over een terrein dat verandert van droge grond naar dichte vegetatie tot zoutvlaktes. Het lijkt misschien willekeurig om zoiets in Argentinië te bouwen, maar Malargüe bood precies wat het experiment nodig had: een groot, vlak gebied, een heldere lucht en het grootste deel van het jaar goed weer, wat direct vertaalt in meer en betere data. Graag maken we van deze gelegenheid gebruik om de lokale autoriteiten uit Malargüe en Mendoza te bedanken voor alle steun door de jaren heen.

Postdoc hoge-energiefysica Juan Ammerman Yebra, de auteur van dit artikel, op een van de meetstations van het Pierre Auger-observatorium. Op het moment krijgen die stuk voor stuk een radioantenne die signalen moeten gaan oppikken van geladen deeltjes die met bijna de lichtsnelheid door de atmosfeer bewegen.

Sensoren en telescopen

In zijn eerste vorm ving het observatorium de signalen op twee manieren op. De tanks op de grond zijn gevuld met water. Wanneer een kosmisch deeltje sneller door het water gaat dan het licht in dat medium kan reizen, zendt het een zwak blauw licht uit, tsjerenkovstraling genoemd; hetzelfde effect dat kernreactorbassins blauw doet stralen. Lichtsensoren in elke tank detecteren het licht en registreren het passeren van het deeltje.

De tweede methode gebruikt telescopen die aan de randen van het gebied worden geplaatst. Wanneer de deeltjes door de atmosfeer razen, dragen ze energie over aan stikstofmoleculen in de lucht. Die moleculen geven hun energie af in de vorm van ultraviolette fotonen. Deze fluorescentietelescopen kunnen de vorm van de inslag volgen terwijl die zich door de atmosfeer ontwikkelt. Maar ze werken alleen op donkere, maanloze nachten, doordat sterk licht de gevoelige detectoren zou verblinden.

Deeltjes die ontstaan als kosmische deeltjes en op de aardatmosfeer botsen, verraden zich onder meer doordat ze energie overdragen aan stikstofmoleculen, die daarop ultraviolette fotonen afgeven, te registreren met fluorescentietelescopen. Foto: Juan Ammerman Yebra

Dankzij deze twee technieken kunnen we de energie en de aankomstrichting reconstrueren, en een idee krijgen van het type deeltje dat de hele lawine heeft veroorzaakt. Uit de informatie proberen we te achterhalen waar kosmische straling vandaan komt en wat de deeltjes versnelde.

Extreme omgeving

Dat laatste deel, het aanwijzen van de bron, is moeilijker dan het klinkt. Kosmische straling gedraagt zich niet als licht, dat nauwelijks wordt afgebogen wanneer het door het universum reist. Deze vorm van straling bestaat uit geladen atoomkernen, en elk magnetisch veld dat ze kruisen, buigt hun pad. Hoe langer ze reizen, hoe meer ze worden afgebogen en hoe moeilijker het wordt om ze terug te leiden naar hun oorsprong. Dit wordt verergerd doordat we de exacte structuur van de magnetische velden tussen ons en de bronnen niet kennen. Toch zijn de meest energierijke kosmische stralen zo star dat magnetische velden ze nauwelijks afbuigen.

Een van de belangrijkste resultaten van het observatorium is het bewijs dat deze hoogenergetische kosmische straling van buiten ons eigen sterrenstelsel komt: als deze deeltjes in de buurt zouden worden geproduceerd, zouden ze voornamelijk rond het vlak van de Melkweg verschijnen, maar dat gebeurt niet. In plaats daarvan tonen de data een grotere concentratie van de meest energieke inslagen uit een bepaald gebied aan de hemel, nabij het sterrenstelsel Centaurus A. Dit is een van de helderste radiobronnen. In het centrum bevindt zich een superzwaar zwart gat, ongeveer 55 miljoen keer de massa van onze zon, dat enorme gasstromen afvuurt met bijna de lichtsnelheid, duizenden lichtjaren de ruimte in. Het is precies de soort extreme omgeving waarin deeltjes versneld kunnen worden tot de energieën die we waarnemen.

In hetzelfde gebied aan de hemel liggen ook andere kandidaten: sterrenstelsels met ongewoon hoge stervormingssnelheden, waar zware sterren ontstaan en sterven in gewelddadige supernova-explosies, die schokgolven van enorme energie produceren. Er zijn nog exotischere mechanismen voorgesteld, zoals sterren die uit elkaar worden getrokken door de zwaartekracht van een superzwaar zwart gat, of dubbele neutronensterren (objecten met anderhalve zonsmassa in een bol van 10 tot 20 kilometer doorsnee) die naar elkaar toe spiralen en in heftige botsingen samensmelten. We weten nog niet welke van deze het antwoord is. Het kan een van deze mechanismen zijn of een combinatie ervan.

Muonenpuzzel

Een andere onopgeloste puzzel betreft de deeltjesfysica zelf. De botsingen van kosmische stralingsdeeltjes met onze atmosfeer zijn tien tot honderd keer energieker dan wat we kunnen maken in de Large Hadron Collider bij CERN, de krachtigste deeltjesversneller ooit gebouwd. Wanneer we simuleren wat die botsingen zouden moeten opleveren en dat vergelijken met wat we daadwerkelijk op de grond meten, klopt er iets niet: we detecteren meer muonen dan onze beste modellen schatten. Muonen zijn zwaardere verwanten van het elektron. Ze worden in grote aantallen geproduceerd bij de inslag van kosmische straling, en toch onderschatten onze simulaties ze consequent. Deze 'muonenpuzzel' toont aan dat de fysica achter deze extreme botsingen nog niet volledig begrepen is.

Met dit soort vragen nog open, heeft het observatorium de afgelopen jaren een grote verbetering ondergaan. De installatie van deze tweede fase, genaamd AugerPrime, werd in 2025 afgerond. Het voornaamste doel is om beter te identificeren met welk type deeltje elke inslag begint. Een van de belangrijkste toevoegingen is een radioantenne op elk station. We hebben gezien dat inslagen kunnen worden waargenomen door de deeltjes die de grond bereiken en door het fluorescentielicht van stikstofmoleculen in de lucht. Maar doordat de inslag ook talloze geladen deeltjes voortbrengt die bijna met de lichtsnelheid bewegen, zendt hij radiogolven uit, vergelijkbaar met de golven die een gewone FM-radio oppikt. De vorm en sterkte van deze radiosignalen dragen informatie over de energie en structuur van die lawine.

Impressie van een deeltjeslawine die het Pierre Auger-observatorium in Argentinië bereikt. Momenteel krijgen de detectoren van dit observatorium een upgrade. Foto: S.Saffi/Pierre Auger Observator, illustratie lawine: L. Bret/Novapix/ASPERA, montage: A. Chantelauze/Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics

In de praktijk vult de radioantenne de fluorescentietelescopen aan, met één beslissend voordeel: hij werkt de hele dag door, niet alleen op donkere nachten. Dit is de detector waar een groot deel van onze groep aan de Radboud Universiteit en onderzoeksinstituut Nikhef aan werkt.

Van detector naar detector

In het bijzonder ontwikkelen we een techniek genaamd radio-interferometrie voor extensive air showers, ook gebruikt door andere radio-experimenten zoals LOFAR. Het idee is om de signalen van vele antennes te combineren om met hoge precisie te reconstrueren uit welke richting de kosmische straling komt en hoe de lawine zich ontwikkelde in de atmosfeer. Dat kan door de exacte aankomsttijd van de radiopuls bij elke antenne te vergelijken. Maar om dit te laten werken, moet je met een nauwkeurigheid van 30 centimeter weten waar elke antenne staat en moet je al hun klokken synchroniseren tot op nanoseconden nauwkeurig. De synchronisatie kan worden uitgevoerd door een bekend referentiesignaal naar alle antennes te sturen en dit in de data te zoeken. Eenmaal gevonden, geeft het ons een gemeenschappelijke tijdstempel over alle antennes.

De posities zijn een ander verhaal. Je moet naar elk van de 1600 stations rijden op een oppervlakte van 3000 vierkante kilometer en de coördinaten meten met een differentiële gps, een veel preciezer apparaat dan de gps in je mobieltje. In september zijn we die campagne begonnen, waarbij we van detector naar detector reizen samen met het vaste personeel van het observatorium.

Meer dan twintig jaar nadat de eerste detectoren op de Pampa werden geplaatst, jaagt het observatorium nog steeds enkele van de grootste open vragen in de natuurkunde na. Waar komen de meest energierijke deeltjes in het universum vandaan? Wat versnelt ze? En wat kunnen ze ons vertellen over de natuurwetten bij energieën die geen enkele machine op aarde kan bereiken? Het observatorium zal jaar na jaar data blijven verzamelen, en met elke nieuwe gebeurtenis die het registreert, hopen we iets dichter bij het beantwoorden van die vragen te komen.

Juan Ammerman Yebra behaalde zijn doctorsgraad aan de Universiteit van Santiago de Compostela, Spanje, en verhuisde naar Nederland om verder onderzoek te doen in de natuurkunde als postdoc in hoge-energiefysica aan de Radboud Universiteit. Hij presenteerde zijn werk begin dit jaar op NWO Physics.

MEER INFORMATIE

• Over het Pierre Auger-observatorium
• Visualisatie open data Pierre Auger-observatorium
• Veronica Bindi: How Cosmic Rays Help Us Understand the Universe
• Pierre Auger Observatory: The Pierre Auger Observatory from Above