Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Experiment met neutrino's

Neutrino's die van een deeltjesversneller in Cern bij Genève door de aarde heen naar een ondergronds lab in Midden-Italië geschoten worden, komen daar eerder aan dan volgens de lichtsnelheid mogelijk is. Als dit resultaat standhoudt, moet de complete natuurkunde op de schop en is tijdreizen mogelijk.

Neutrino's waren al spookachtige deeltjes, want je kunt ze dwars door 730 kilometer aardbol heen schieten. Daarom is het ook heel moeilijk om ze te detecteren: hoe groot je detector ook is, ze vliegen er bijna allemaal doorheen zonder een spoor achter te laten.

Toch heeft de OPERA-detector, diep in de berg Gran Sasso in Midden-Italië, in drie jaar tijd ongeveer 16.000 van de in totaal 100.000.000.000.000.000.000 neutrino's opgevangen die de SPS-versneller in Cern produceerde. De SPS is een kleiner broertje van de LHC, die in staat is een zeer intense bundel neurino's te produceren die precies op het laboratoriium in Gran Sasso gericht staat.

Met behulp van onder meer GPS-satellieten is het mogelijk de afstand tussen de SPS-deeltjesversneller (d.w.z: het punt waar de neutrinobundel ontstaat) en de OPERA-detector tot op 20 centimeter nauwkeurig te bepalen. De reistijd van de neutrino's tussen SPS en OPERA is tot op de nanoseconde meetbaar.

Het resultaat dat nu in een uitvoerig artikel op de preprintserver arxiv.org beschreven wordt, is een 'anomalie' in de reistijd van 60 +/- 10 nanoseconde. Anders gezegd: als je gelijktijdig een lichtstraal en een bundel neutrino's vanuit de SPS op de OPERA-detector af zou schieten, komen de neutrino's aan met 18 meter voorsprong.

Er is nog één andere plek waar een soortgelijk experiment mogelijk is: de VS. Daar kan de deeltjesversneller van Fermilab bij Chicago een bundel neutrino's sturen naar de ondergrondse Soudan detector, een paar honderd kilometer noordelijker. Daar is al eens aan de snelheid van neutrino's gemeten, en ook toen vond men een kleine anomalie, maar die viel binnen de statistische foutmarge, zodat dit resultaat nauwelijks aandacht trok. Daar zal het nu 'alle hens aan dek' zijn om het OPERA-experiment te herhalen.

Als het resultaat bevestigd wordt, zijn de gevolgen voor de natuurkunde nauwelijks te overzien. Het is een hoeksteen van de relativiteitstheorie dat een klok (voor een externe waarnemer) steeds langzamer gaat lopen naarmate hij sneller beweegt. Voor een deeltje dat met de lichtsnelheid beweegt, bestaat de tijd in zekere zin niet meer, omdat zijn interne klok tot stilstand komt. Uit Einsteins formules volgt, dat als een deeltje sneller beweegt dan het licht, zijn interne klok terug gaat lopen. Dit werd zo absurd geacht, dat per decreet niets sneller kan bewegen dan het licht.

De neutrino's in de OPERA-detector lijken dit decreet aan hun laars te lappen, zodat ze in zekere zin eerder in Gran Sasso aankomen dan ze uit Genève vertrokken! Een mens die met deze neutrino's mee kon reizen, zou steeds jonger worden in plaats van ouder. 

Helaas, van een individueel neutrino is weliswaar exact meetbaar wanneer hij in de detector aankomt, maar niet precies wanneer hij is uitgezonden door de SPS. Die produceert namelijk grote aantallen protonen, die op een trefplaat botsen, waaruit mesonen ontstaan, en pas daaruit ontstaan tijdens hun reis in een kilometer lange vacuumbuis door spontaan verval de neutrino's. De anomalie is daarom alleen zichtbaar, door de aankomsttijden van flinke aantallen gedetecteerde neutrino's te vergelijken met de exacte tijden en aantallen van door de SPS geproduceerde protonen.

Niettemin, het nu gevonden verschil van 60 nanoseconde is zoveel groter dan de diverse statistische foutmarges, dat dit resultaat niet als een opeenstapeling van kleine, toevallige fluctuaties valt weg te verklaren (voor de kenners: de significantie is 6 sigma). Ook de kans dat de onderzoekers iets simpels over het hoofd hebben gezien dat de hele zaak scheeftrekt is vrijwel nihil.

Vrijwel het hele artikel is gewijd aan een bespreking van mogelijke systematische fouten. De data zijn op diverse manieren ge-heranalyseerd. Zo is gekeken of er verschil is tussen de metingen 's nachts en overdag, tussen de zomer en de rest van het jaar, of tussen neutrino's met lage en hoge energie. Daarvan is niets gebleken.

Bij de continue monitoring van de afstand tussen SPS en OPERA is het geleidelijke verschuiven van de continenten (netto 1 centimeter per jaar) en een plotselinge verandering van 7 centimeter door een aardbeving in het voorjaar van 2009 duidelijk af te lezen. Ook treedt de anomalie op in alle zes de afzonderlijke periodes dat gemeten werd, en is deze – binnen de foutmarge – telkens even groot.

De relativiteitstheorie dringt door tot in alle haarvaten van de huidige natuurkunde, dus als dit resultaat echt is, moeten zo ongeveer alle fundamentele fysische theorieën herzien worden. Wat is dan wel de verklaring, als je niet de hele natuurkunde op de schop wilt nemen?

Voorlopig weet niemand het, maar zelfs de beste onderzoekers kunnen subtiele systematische verstoringen van hun metingen over het hoofd zien, dat is in het verleden vaak genoeg gebleken. Het OPERA-team heeft daarom al zijn meetgegevens beschikbaar gesteld aan andere onderzoekers om ze zelf te analyseren.

Tijdens een bijeenkomst op Cern, vrijdagmiddag, die ook live werd uitgezonden via internet, presenteerde een van de onderzoekers het resultaat aan een publiek van kritische collega-fysici. 'Een zeer goed uitgevoerd experiment', klonk in de zaal. Natuurlijk waren er na afloop ook vragen, maar het leek er toch sterk op dat het team aan alles gedacht had. Echte gaten konden de aanwezigen niet in dit bijna ongelooflijke resultaat schieten.   

De bijna tweehonderd onderzoekers die als auteur bij het artikel genoteerd staan, weten heel goed dat ze hiermee hun nek uitsteken. Ze eindigen hun artikel met: 'We doen bewust geen poging om een theoretische of fenomenologische verklaring voor deze resultaten te geven.'
Vrij vertaald: 'Hak alsjeblieft m'n kop er niet af als het toch niet blijkt te kloppen.'