Einstein kreeg het zwaar te verduren in de media. Meer dan eens werd – niet helemaal terecht overigens – op het einde van zijn theorieën gezinspeeld.
Zegt de barman: “Sorry, we bedienen geen neutrino’s.” Een neutrino komt een bar binnen. Zie hier één van de vele ‘neutrino-grappen’ die eind september op internet rondcirkelden, nadat bekend was geworden dat neutrino’s sneller leken te gaan dan licht. De neutrino was een hype: het internet gonsde van verhalen over tijdreizen en het einde van Einsteins theorieën. De mediastorm is nu misschien een beetje geluwd, de verbazingwekkende claim staat nog altijd overeind.
Eenvoudig experiment
Even een korte geheugenopfrisser. Wetenschappers stuurden neutrino’s van het deeltjesinstituut CERN in het Zwitserse Genève naar het Italiaanse Gran Sasso laboratorium bij L’Aquila. Uit dit experiment, genaamd OPERA (naar de enorme detector in het Gran Sasso lab), bleek dat de subatomische deeltjes de reis van 730 kilometer hadden afgelegd in gemiddeld 2,43 milliseconde – 60 nanoseconden sneller dan als ze met de lichtsnelheid gereisd zouden hebben.
Als het klopt, zou tijdreizen in theorie mogelijk zijn en oorzaak en gevolg door elkaar kunnen lopen (waar de grap aan het begin van dit artikel naar verwijst). Maar het zou bovenal een ramp voor natuurkundigen betekenen: dan stort namelijk een groot deel van de moderne natuurkunde in, ontstaan uit de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Eén van de uitgangspunten van de theorie was dat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is. En uit deze theorie volgen talloze andere natuurwetten, zoals E=mc2, die we sinds jaar en dag in experimenten bevestigd zien. Kortom, het OPERA-experiment kón eigenlijk niet kloppen.
De enorme detector OPERA staat ondergronds bij het plaatsje L’Aquila, onder de Apennijnen. Afbeelding: © OPERA-experiment
Op zoek naar fouten
Daarom zijn natuurkundigen sinds de bekendmaking van de OPERA-resultaten massaal op het experiment gedoken, op zoek naar fouten. Dat was ook de bedoeling van de OPERA-groep: zelf hadden ze al zes maanden tevergeefs gezocht en nu mocht de natuurkundige gemeenschap meehelpen. Overigens vonden vijftien teamleden het daar eigenlijk nog te vroeg voor. Ze weigerden hun naam boven het artikel te zetten dat op de arXiv-website (een online verzamelplaats voor ongepubliceerde artikelen) verscheen.
Een kritiekpunt dat vrij snel naar voren kwam betrof het startmoment van de neutrino’s. Deeltjesinstituut CERN versnelde protonen in een deeltjesversneller tot hoge energie om ze vervolgens te laten botsen op een grafieten plaat. De kernreacties die daaruit volgden, leverden onder andere de neutrino’s op die verder bewogen in de richting die de protonen hadden.
In schema de ringen waarin de protonen versneld worden en vervolgens op een grafieten trefplaat botsen. Linksonder ontstaan de neutrino’s uit de kernreacties die op de botsingen van de protonen volgen. Afbeelding: © CERN
Het zwakke punt zat hem in het feit dat de protonen in pulsen werden afgeschoten, waardoor groepen neutrino’s vertrokken en aankwamen, in plaats van enkele. Zodoende was in de metingen niet met zekerheid te zeggen welk neutrino wanneer vertrokken was. De onzekerheid hiervan kon met statistiek enigszins verhuld worden, maar men was niet overtuigd.
De OPERA-groep zelf uiteindelijk ook niet, want eind oktober besloten ze extra metingen te doen met een ander soort protonpulsen. Deze waren korter, met langere tussenpozen. Hiermee was voldoende duidelijk de reistijd van individuele neutrino’s te bepalen. Maar na tien dagen meten was het resultaat hetzelfde: de neutrino’s gingen nog altijd net zoveel sneller dan het licht, zo maakten ze afgelopen week bekend. Inmiddels is het artikel over het experiment wél opgestuurd naar een wetenschappelijk tijdschrift, en dit keer staan alle namen van de OPERA-onderzoekers erboven.
Tijd en afstand
Kortom, de claim staat sinds vorige week nog iets steviger overeind. Toch is er nog veel discussie over andere aspecten van het experiment. Zo is bijvoorbeeld veel te doen over de tijdmeting. Het OPERA-team gebruikte atoomklokken in CERN en Gran Sasso die ze klokslag gelijk zetten met behulp van een GPS-satelliet. Maar volgens theoretisch natuurkundige Carlo Contaldi (Imperial College, Londen) speelt het verschil in zwaartekracht tussen de plek van vertrek en aankomst hierbij een rol. CERN ligt verder van het centrum van de aarde dan Gran Sasso en ondervindt daarom een grotere zwaartekracht. Als gevolg daarvan tikt een klok in CERN langzamer dan in Gran Sasso. Contaldi denkt dat ze hier geen rekening mee hebben gehouden.
De route die de neutrino’s aflegde is dwars door de aarde heen. Je moet met allerlei factoren rekening houden om de juiste reisafstand en -tijd te bepalen. Afbeelding: © CERN/INFN
De Groningse wetenschapper Ronald van Elburg denkt op zijn beurt dat het team de speciale relativiteitstheorie had moeten toepassen bij het berekenen van de reisafstand, aangezien de GPS-satelliet beweegt. Van Elburg berekent dat de afstand 18 meter korter is dan het OPERA-team berekende – opvallend genoeg precies de voorsprong die neutrino’s hadden op het licht. OPERA houdt echter vol dat ze voor al deze factoren hebben gecorrigeerd. Discussies tussen het OPERA-team en andere natuurkundigen zijn nog in volle gang.
Neutrinostraling
Het grootste bezwaar op de metingen tot nu toe is afkomstig van Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow en zijn collega Andrew Cohen van Boston University (VS). Zij baseerden zich op een bekend verschijnsel uit de natuur, waarbij licht in een materiaal kan worden ingehaald door andere deeltjes. Licht beweegt bijvoorbeeld langzamer door water dan door lucht, en geladen deeltjes als elektronen kunnen door dit materiaal sneller bewegen dan het licht. Alleen raken de deeltjes hierbij een deel van hun energie kwijt in de vorm van straling, bekend onder de naam Tsjerenkovstraling.
De blauwe gloed in een kernreactor is ook een voorbeeld van Tsjerenkovstraling. Afbeelding: © Wikimedia Commons
Glashow en Cohen menen dat logischerwijs iets dergelijks ook bij deze neutrino’s moet optreden als ze sneller dan licht zijn. In dit geval zouden de neutrino’s paren van elektronen en positronen (antideeltjes van elektronen) moeten uitzenden, en zodoende hun energie langzamerhand kwijt raken. Als gevolg van dit ‘Cohen-Glashow-effect’ – zoals het inmiddels bekend staat – kan de maximale energie van de neutrino’s bij aankomst niet hoger liggen dan 12 GeV (ter vergelijking: een proton heeft een energie van 1 GeV). Maar OPERA zag neutrino’s met energieën boven de 40 GeV. Dat rijmt totaal niet met elkaar.
Het artikel van Glashow en Cohen is inmiddels opgenomen in het tijdschrift Physical Review Letters, daarmee het eerste gepubliceerde artikel over het OPERA-experiment. Het geeft aan dat de argumenten van Glashow en Cohen hout snijden. Half oktober kreeg OPERA een nieuwe slag te verwerken. Een andere groep van het Gran Sasso lab, genaamd Imaging Cosmic and Rare Underground Signals (ICARUS), had van dezelfde neutrino’s die OPERA had gemeten het energiespectrum bestudeerd. Ze konden geen aanwijzingen vinden voor de straling die voorspeld wordt door het Cohen-Glashow-effect.
Neutrino’s door de tijd
23 september: De OPERA-groep presenteert metingen waarin neutrino’s sneller hebben gereisd dan het licht.
Begin oktober: De arXiv-website stroomt vol met tientallen artikelen over het OPERA-experiment.
17 oktober: De ICARUS-groep presenteert metingen die te snelle neutrino’s een stuk onzekerder maakt. Tegenvaller voor OPERA.
Eind oktober: De OPERA-groep laat weten even te wachten met het publiceren van hun resultaten en eerst nog wat extra metingen te doen.
17 november: De resultaten van de nieuwe metingen worden bekend gemaakt door de OPERA-groep, maar aan de conclusie verandert niets.
Verklaringen
De resultaten van het ICARIS-experiment tonen heel duidelijk aan dat als de metingen écht kloppen, we nieuwe natuurkunde nodig hebben om ze te verklaren. Het grootste deel van de artikelen die inmiddels op de arXiv-website zijn verschenen, doet daarvoor een poging. Zo wordt geopperd dat neutrino’s sneller door aarde zouden bewegen dan door de ruimte of dat fotonen door donkere materie afgeremd worden, maar neutrino’s niet.
Populairst onder de verklaringen is die waarin de neutrino’s een stukje hebben afgesneden via een hogere dimensie. Voordeel van die theorie is dat ze het licht niet écht hebben ingehaald, zodat de lichtsnelheid als maximumsnelheid onberoerd blijft. De huidige theorieën hoeven dan alleen maar uitgebreid te worden, in plaats van omgegooid. Aan de andere kant roept deze theorie natuurlijk tal van nieuwe vragen op: waarom kunnen andere deeltjes als elektronen dat niet? En: hoe ziet die hogere dimensie er dan uit?
Andere experimenten
Leuk hoor, dat speculeren, maar uiteindelijk is er maar één manier om écht antwoorden te krijgen: als andere groepen het experiment herhalen. De twee kandidaten hiervoor zijn een Japans en een Amerikaans/Canadees project. Het Japanse experiment, T2K, verstuurt neutrino’s over 295 kilometer van een versneller in Tokai naar een detector in Kamioka. Na de aardbeving in maart is het project echter stilgelegd en duurt het nog minstens een jaar voordat het experiment weer gereed zou zijn.
De MINOS-detector in de ondergrondse Soudan-mijn in Minnesota. Afbeelding: © Wikimedia Commons
We zullen onze hoop daarom in eerste instantie moeten vestigen op het MINOS-project, een Amerikaans/Canadese samenwerking. Hierbij reizen neutrino’s van het Fermilab in Chicago naar een mijn in Minnesota. In 2007 hebben ze al vergelijkbare metingen als OPERA gedaan, maar toen zagen ze geen sneller-dan-licht-neutrino’s. Ze gaan nu opnieuw naar hun data kijken, waarover ze in het voorjaar van 2012 meer kunnen zeggen. Om nieuwe metingen te doen, moeten ze hun experiment opkrikken naar een hogere precisie. Dat kan zo nog een paar jaar duren.
Je ziet het, een snel antwoord hoeven we niet te verwachten. Maar we zijn deze maanden een beetje verwend geraakt met nieuwe updates over de neutrino’s. Nieuwe stappen in de wetenschap hebben nu eenmaal tijd nodig, dus we zullen geduld moeten hebben. Dan vermaken we ons toch gewoon met een beetje ‘neutrino-humor’? Geniet bijvoorbeeld van deze Neutrino Song.
Lees meer over neutrino’s op Kennislink:
