SNO (Sudbury Neutrino Observatory) – Giga Neutrinodetector

Sudbury Ball is de naam voor de Sudbury Neutrino Observatory (kortweg SNO genoemd) in Sudbury, Ontario, Canada. Deze “bal” is een wetenschappelijk meesterwerk, een gigantische ondergrondse neutrinodetector, gebouwd twee kilometer onder de grond in een oude nikkelmijn van INCO, de Creighton Mine, één van de diepste mijnen ter wereld. De SNO heeft de unieke mogelijkheid het zonne-neutrinoprobleem te kunnen onderzoeken en is sinds september 1998 in werking. Een Amerikaans-Brits-Canadees projekt. De Sudbury Ball is dus een giga neutrinodetector dat het aantal neutrino’s dat uit de zon komt meet. Neutrino’s zijn heel lichte deeltjes, zonder lading, die “sneller” dan het licht bewegen. Ze zijn het product van de fusiereacties zoals in het binnenste van de zon.

De opbouw van de Sudbury Ball

De Sudbury Ball bestaat uit een bal gemaakt van 5 cm dik plexiglas, met een diameter van 12 meter en is geheel naadloos. De plexiglazen bal is aan het bovendek opgehangen met twintig Vectran kabels van elk 2,5 cm doorsnede. Deze plexiglazen bal is gevuld met 1000 ton “zwaar water”. Anders dan bij normaal water (H2O) zijn bij zwaar water de twee waterstofatomen vervangen door deuteriumatomen (D2O, dideuteriumoxide).

Om deze bal heen zit een metalen framewerk waarop ongeveer 10.000 PMT lichtdetectoren zijn aangebracht (PMT = photomultiplier tube) in 750 driehoekige panelen. Dit bal-vormige metalen framewerk heeft een diameter van 18 meter. De plexiglazen bal met het metalen framewerk er omheen zit weer in een mega tank die gevuld is met 7800 ton gewoon water. Dit om het zwaar water te beschermen tegen zwakke, natuurlijke straling, tegen gamma straling en tegen neutronen uit de ondergrondse rotsen.

De 1000 ton zwaar water heeft een waarde van 300 miljoen dollar. Aangezien het onmogelijk was om dit te bekostigen, heeft SNO dit zwaar water “geleend” van Atomic Energy of Canada Limited.

Neutrino's

Neutrino's (letterlijk “neutraaltjes”) behoren tot de meest raadselachtige deeltjes in de natuur. Juist daarom is het boeiend om ze te bestuderen. Ze geven ons inzicht in het binnenste van de zon en processen in atoomkernen. Neutrino’s zijn zeer moeilijk detecteerbare deeltjes. Vermoedelijk hebben ze nauwelijks gewicht en geen lading. Ze laten zich door niets of niemand beïnvloeden, laat staan vangen. Met gemak schieten ze dwars door de aarde heen. Iedere seconde worden mensen en dieren door voorbijkomende neutrino’s doorstraald, zonder dat dit enig effect heeft. Neutrino’s maken niets kapot.

Cherenkov-licht

Echter, er bestaat nog steeds een minuscuul kleine kans dat een neutrino frontaal op een deuterium atoom botst. De kern van een deuteriumatoom bestaat uit een proton en een neutron. Door de botsing ontstaat er een korte maar heldere lichtflits, het Cherenkov-licht. Cherenkov-licht is de optische variant van de knal die ontstaat als een vliegtuig de geluidsbarrière doorbreekt. Deze lichtflitsen worden gedetecteerd met behulp van lichtdetectoren. Men verwacht met behulp van de Sudbury Ball gemiddeld 30 flitsen per dag te detecteren van neutrino’s die van de zon komen.

Hiernaast zie je een computer animatie van het Cherenkov-licht in de Sudbury Ball.

Om iets van de neutrino’s te zien, moeten hele grote detectoren gemaakt worden, met zoveel mogelijk atomen. Dan is de kans het grootst dat een neutrino ergens tegen aan botst. Zo’n detector heeft echter ook last van andere deeltjes, die uit verschillende hoeken van het heelal op ons af komen. Vandaar dat zo’n neutrinodetector in de aarde wordt ingegraven, zo diep dat alleen neutrino’s daar kunnen doordringen.

Met een neutrinodetector hopen geleerden meer te weten te komen over de eigenschappen van neutrino’s. Misschien kunnen neutrino’s onderweg wel van karakter veranderen. Er zijn namelijk drie verschillende soorten neutrino’s: het elektron-neutrino, het muon-neutrino, en het tau-neutrino. Onder bepaalde omstandigheden kan het ene soort overgaan in het andere. De neutrino’s van de zon zijn vooral elektron-neutrino’s. Dat zijn ook de neutrino’s die het best door een detector worden opgevangen. Het kan best zijn dat sommige elektron-neutrino’s op hun weg naar de aarde overgaan in een andere soort en zich daardoor onttrekken aan het oog van de detectoren.

Het bewijs voor de gedaanteverwisseling van neutrino's afkomstig van de zon volgde een paar jaar later in 2001. Door wetenschappers in de SNO werd aangetoond dat het totaal aantal neutrino's afkomstig van de zon - dus alle drie de soorten bij elkaar - wel degelijk klopte met de berekeningen. Er was maar één conclusie mogelijk: tweederde van de elektron-neutrino's die in het binnenste van de zon worden gemaakt, verandert onderweg van gedaante. Deze informatie heeft directe toepassingen op fundamentele natuurkundige theorieën en kan grote gevolgen hebben voor onze kijk op het heelal (astrofysica). Kennis van de neutrino’s brengt ons dichter bij het ultieme doel: de natuur begrijpen.

Foto's van "the making of" van de Sudbury Neutrino Observator