HiSPARC (afkorting van High School Project on Astrophysics Research with Cosmics) is een internationaal wetenschaps- en onderwijsproject waarbij middelbare scholen en onderzoeksinstellingen samenwerken om kosmische straling te meten met behulp van een netwerk van deeltjesdetectoren. Het project groeide uit tot een netwerk van circa 140 stations in Nederland, het Verenigd Koninkrijk, Denemarken en Namibië.^[1] Kosmische straling bestaat uit deeltjes uit de ruimte, voornamelijk protonen en atoomkernen, die met hoge snelheid de aarde bereiken. HiSPARC brengt moderne, 21e-eeuwse natuurkunde de klas in en laat leerlingen deelnemen aan echt wetenschappelijk onderzoek — wat tegenwoordig 'citizen science' wordt genoemd.^[2]

Naast het licht van de Zon en sterren komen er ook andere deeltjes uit de ruimte, die worden aangeduid als kosmische straling. Deze bestaat uit verschillende soorten atoomkernen, die onder andere vrij komen in supernova's: sterren die aan het einde van hun leven exploderen. Deeltjes met een hoge energie zijn zeldzamer dan deeltjes met een lagere energie. Sommige kosmische stralen hebben gigantisch hoge energieën; hiervan is het nog onduidelijk wat voor kosmisch proces deze deeltjes produceert.

De kosmische straling wordt grofweg ingedeeld naar energiebereik. Bij lage energieën (onder ±10 GeV) wordt de flux beïnvloed door het magnetisch veld van de Zon. Kosmische straling met energieën tussen 10 GeV en 1 EeV is van galactische oorsprong; supernovaresten gelden als de voornaamste versnellingsbronnen. Boven ±1 EeV is de straling vermoedelijk van extragalactische oorsprong.

Als een kosmische straal de aarde bereikt, botst hij op een atoomkern van de dampkring (bijvoorbeeld stikstof of zuurstof). Bij deze interactie worden nieuwe deeltjes gevormd uit de hoge energie van de kosmische straal. Op hun beurt botsen die nieuwe deeltjes weer met andere atmosferische atoomkernen, waardoor er nog meer nieuwe deeltjes worden gemaakt. Deze kettingreactie gaat door totdat er niet genoeg energie meer is om nieuwe deeltjes te maken. Dit proces heet een deeltjeslawine. Zodra de energie op is, sterft de lawine langzaam weer uit.

Als de energie van de oorspronkelijke kosmische straal hoog genoeg is (boven ±10¹³ eV), kan de deeltjeslawine het aardoppervlak bereiken. Een deeltjeslawine kan worden beschouwd als een soort pannenkoek van deeltjes die reizen met de lichtsnelheid.^[bron?] De grootte van de pannenkoek kan oplopen tot vele honderden meters. Door op verschillende plekken de lokale hoeveelheid deeltjes en hun aankomsttijden te meten, kan de richting en energie van de oorspronkelijke kosmische straal worden gereconstrueerd. Dit wordt gedaan met een combinatie van speciale deeltjesdetectoren.

De directe voorloper van HiSPARC is NAHSA (Nijmegen Area High School Array), een lokaal netwerk van kosmische-stralingdetectoren dat rond 2001 in Nijmegen werd opgezet door de afdeling subatomaire fysica van de Radboud Universiteit. Geïnspireerd door vergelijkbare projecten in de Verenigde Staten en voortbouwend op de ervaringen met NAHSA, werd HiSPARC in 2002 opgericht tijdens een workshop van wetenschappers en docenten bij het Nikhef in Amsterdam.^[3] Het Nikhef (Nationaal instituut voor subatomaire fysica) nam de coördinatie op zich en het netwerk breidde zich snel uit naar middelbare scholen door heel Nederland. Een van de grondleggers en grote drijvende krachten achter het project was professor Bob van Eijk (Universiteit Twente / Nikhef), die het project jarenlang wetenschappelijk en organisatorisch leidde.

In 2004 ontving HiSPARC de Altran Foundation Award, uitgereikt tijdens een ceremonie bij de UNESCO in Parijs op 15 juni 2004. Een internationale jury selecteerde HiSPARC uit meer dan 160 Europese inzendingen en kende het project een prijs toe ter waarde van één miljoen euro in de vorm van technische, organisatorische en strategische ondersteuning gedurende een jaar. De jury honoreerde HiSPARC onder meer omdat het "de brug slaat tussen onderzoek en onderwijs" en leraren en leerlingen actief betrekt bij wetenschappelijk onderzoek.^[4]

In de volgende jaren groeide het netwerk naar het Verenigd Koninkrijk, Denemarken en later Namibië. In 2012 promoveerde D.B.R.A. Fokkema aan de Universiteit Twente op de dataverzameling en richtingsreconstructie van deeltjeslawines met HiSPARC.^[5] Begin 2019 waren er circa 140 stations operationeel.

In 2020 sloot de Universiteit van Utah zich aan via het InSPIRE-programma (Inclusive Science Program through Innovative Research and Education), gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF). In 2024 droeg Nikhef de coördinatie officieel over aan de Universiteit van Utah, waar professor Tino Nyawelo — een voormalig Nikhef-promovendus — het initiatief sindsdien leidt. Alle meetgegevens blijven beschikbaar via de bestaande publieke database.

HiSPARC werd door de jaren heen financieel en institutioneel gedragen door Nikhef en de FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie), alsmede door vele deelnemende universiteiten en onderzoeksinstituten in binnen- en buitenland.

Een HiSPARC-deeltjesdetector is robuust, goedkoop en relatief eenvoudig te assembleren; detectoren worden deels gebouwd door scholieren zelf. Elke detector bestaat uit twee componenten:

• Een scintillator: een speciaal soort kunststof plaat die een heel klein beetje licht uitzendt als een geladen deeltje door de plaat reist.
• Een hypergevoelige lichtdetector (fotomultiplicatorbuis, PMT): zet het scintillaticlicht om in een elektrisch signaal dat door een computer kan worden uitgelezen.

De scintillator is omgeven door aluminiumfolie om het licht te reflecteren richting de PMT. Via GEANT4-simulaties is aangetoond dat de gesimuleerde detectorrespons goed overeenkomt met de gemeten gegevens.^[1]

De detectoren worden op een dak gemonteerd in een skibox, wat ze beschermt tegen weersinvloeden. In een HiSPARC-station worden twee of vier detectoren gecombineerd. Een typische configuratie van een twee-detectorstation heeft de detectoren circa 6 meter uit elkaar geplaatst, met een GPS-antenne ertussenin voor nauwkeurige tijdinformatie op nanoseconde-niveau. Alleen als meerdere detectoren vrijwel tegelijkertijd een deeltje meten, worden de meetgegevens opgeslagen. Dit wordt een coïncidentie genoemd, en duidt erop dat er waarschijnlijk een deeltjeslawine is gepasseerd.

Begin 2019 waren er circa 140 stations, met in totaal zo'n 400 skiboxen op daken door Nederland, het Verenigd Koninkrijk, Denemarken en Namibië.

Het wetenschappelijke doel van HiSPARC is het meten en reconstrueren van eigenschappen van deeltjeslawines, en daarmee van de kosmische stralen die deze lawines veroorzaken. Twee hoofdtechnieken worden toegepast: bij een enkel twee-detectorstation kan via een statistische analyse van de pulsintegraalverdeling een uitspraak worden gedaan over de verdeling van kosmische-stralingenergieën tussen 10¹³ en 10¹⁶ eV; bij een cluster van meerdere stations — zoals de stations op het Amsterdam Science Park — kunnen individuele deeltjeslawines worden gereconstrueerd tot energieën van 10^18,5 eV. Beide methoden leveren resultaten die goed overeenkomen met die van grote internationale experimenten als KASCADE, HiRes en het Pierre Auger Observatorium.^[6]

Een onverwacht nevenresultaat betrof een verhoogde detectiesnelheid tijdens regenbuien. Onderzoek wees uit dat regenwater radioactief Bismut-214 — een vervalproduct van het in de atmosfeer aanwezige radongas — neerslaat in de nabijheid van de detectoren, wat door HiSPARC meetbaar is. Dankzij de geografische spreiding van het netwerk was zelfs de beweging van een koufront van west naar oost over Engeland en Nederland te volgen.^[7]

Daarnaast is het HiSPARC-detectorprincipe ook ingezet voor muontomografie: het gebruik van kosmische muonen om het binnenste van een hoogoveninstallatie bij Tata Steel te onderzoeken.^[8]

Het HiSPARC-project heeft een uitgebreid open-source softwareecosysteem ontwikkeld, beschikbaar via GitHub onder de GPL-3.0-licentie:

• SAPPHiRE: een Python-framework voor het ophalen, verwerken en analyseren van HiSPARC-meetgegevens.
• jSparc: een JavaScript-bibliotheek voor webgebaseerde visualisatie van meetgegevens en coïncidentieanalyse.
• publicdb: de publieke HiSPARC-database met API voor toegang tot de meetgegevens van alle stations.
• station-software: de software die op de lokale computers van elk station draait.

Met steun van SURF werd een online JupyterHub-omgeving beschikbaar gesteld waarmee scholieren direct met HiSPARC-meetgegevens aan de slag konden, zonder software te hoeven installeren op de schoolcomputer. De meetgegevens van alle stations zijn publiek toegankelijk via data.hisparc.nl.

Het onderscheidende karakter van HiSPARC is de nauwe verwevenheid van wetenschappelijk onderzoek met onderwijs. Het project richt zich op drie groepen: leerlingen, docenten en wetenschappers.

HiSPARC ontwikkelde uitgebreid lesmateriaal speciaal voor het Nederlandse voortgezet onderwijs, waaronder het infopakket (een inleidend lespakket over kosmische straling en deeltjesfysica) en de RouteNet lesbrieven (een reeks opdrachten waarmee leerlingen stap voor stap kennismaken met het verzamelen en analyseren van meetgegevens). Daarnaast bestaat er een gecertificeerde NLT-module (Natuur, Leven en Technologie), waarmee leerlingen deeltjeslawines kunnen meten en analyseren als onderdeel van het reguliere schoolprogramma.

Een populaire toepassing is het profielwerkstuk: talloze leerlingen kozen HiSPARC als onderwerp voor hun afsluitend onderzoeksproject (vwo). Via de met steun van SURF beschikbaar gestelde JupyterHub-omgeving konden leerlingen zelfstandig aan de slag met echte meetgegevens. HiSPARC bood hiervoor ook concrete suggesties voor onderzoeksvragen en begeleiding vanuit Nikhef.

Een centraal onderdeel van de HiSPARC-outreach was het Leraar-in-Onderzoek (LiO)-programma. Eerstegraads docenten natuurkunde konden één dag per week gedurende een jaar wetenschappelijk onderzoek verrichten bij Nikhef of een andere deelnemende instelling, volledig ingebed in het HiSPARC-project. Dit stelde docenten in staat om actuele onderzoekservaring op te doen en die kennis direct mee te nemen naar hun lessen. In de loop van het project zijn tientallen docenten via het LiO-programma begeleid, wat resulteerde in wetenschappelijke publicaties, conferentiebijdragen en interne onderzoeksverslagen.^[2]

HiSPARC organiseerde jaarlijkse symposia waarbij leerlingen hun onderzoeksresultaten presenteerden aan wetenschappers en vakgenoten. De Altran Foundation Award (2004) — uitgereikt bij de UNESCO in Parijs en geselecteerd uit meer dan 160 Europese inzendingen — bevestigde de internationale erkenning van HiSPARC als voorbeeldproject voor wetenschapscommunicatie en publieksbetrokkenheid in de exacte vakken.

HiSPARC maakt deel uit van een internationale beweging van schoolgebaseerde detectieprojecten voor kosmische straling. Vergelijkbare initiatieven zijn onder meer:

• EEE (Extreme Energy Events, Italië): een project waarbij circa 80 Italiaanse scholen muon-telescopen bouwen en beheren op basis van MRPC-technologie, in samenwerking met het CERN.^[9]
• QuarkNet (VS): een door Fermilab en CERN gesteund netwerk dat leraren en scholieren verbindt aan deeltjesfysica-onderzoek via scintillatordetectoren.
• WALTA/NALTA (VS/Canada): de Washington Area Large-scale Time-coincidence Array en het Noord-Amerikaanse overkoepelende netwerk met meer dan 100 stations op scholen.
• CHICOS (Californië): de California High school Cosmic ray ObServatory.
• CZELTA (Tsjechië) en SEASA (Zweden): vergelijkbare nationale schoolnetwerken in Centraal- en Noord-Europa.
• CREDO (internationaal): een wereldwijd citizen-science-netwerk waarbij ook smartphones worden ingezet als detector.

HiSPARC onderscheidt zich door de combinatie van een dicht, GPS-gesynchroniseerd netwerk, volledig publiek toegankelijke meetgegevens, een goed ontwikkeld docenten- en leerlingenprogramma, en de productie van peer-reviewed wetenschappelijke publicaties.

• HiSPARC Utah — huidige beheersorganisatie
• HiSPARC Nikhef outreach — informatie over overdracht
• HiSPARC op GitHub — open-sourcesoftware
• HiSPARC documentatie — technische documentatie
• Proefschrift K. van Dam — wetenschappelijke resultaten