Waarom de deeltjes uit CERN mogelijk tóch niet sneller dan het licht gingen.

Het nieuws dat deeltjeslab CERN neutrino’s had waargenomen die sneller reisden dan het licht, ging eind vorige maand de wereld rond. Inmiddels zijn we iets meer dan twee weken verder en zijn – vooral op internet – al tientallen verklaringen voor dat onverwachte deeltjesgedrag gepubliceerd. Die lopen uiteen van fouten in het onderzoek, tot neutrino’s die de weg afsnijden. Een overzicht.

Op dit moment zijn naar aanleiding van de sneller-dan-het-licht-neutrino’s al ruim 30 artikelen en brieven verschenen. En dan tellen we alleen mee wat verscheen op de wetenschappelijke voorpublicatiesite arxiv.org, waar ook de onderzoekers van het aan CERN gelieerde OPERA-experiment hun resultaat wereldkundig maakten (hier te lezen in pdf).

Kaf en koren
Tussen al het kaf, is er ook wel degelijk wat koren te vinden – zowel op arxiv.org als daarbuiten. Veel van de ‘oplossingen’ spitsen zich toe op fouten in de opzet van het experiment. Dat experiment bepaalde de snelheid van de deeltjes in een tweestapsproces. Eerst door nauwkeurig de afstand te bepalen tussen Gran Sasso (thuisplaats van de OPERA-detector) en Cern, vlakbij Genève – ruwweg zo’n 730 kilometer – en vervolgens door de tijd te bepalen die de neutrino’s over hun reis deden.

LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Tijdsbepaling
‘Ik zet mijn geld op een fout in de tijdsbepaling’, vertelt deeltjesfysicus Frank Linde, directeur van het Nederlandse NIKHEF, het nationale instituut voor subatomaire fysica. ‘Ik denk niet dat de fout in de afstandsbepaling zit.’

Over wat er mis kan zijn gegaan met de tijdsbepaling bestaan verschillende ideeën. Eén van de simpelste komt van theoretisch fysicus Carlo Contaldi van het Imperial College in Londen. Hij publiceerde op 30 september op arxiv.org een artikel dat uitlegt dat er mogelijk iets verkeerd is gegaan met de klokken die de tijden bepaalden waarop de deeltjes respectievelijk uitgezonden en gemeten werden.

Zwaartekracht
Volgens Contaldi hebben de onderzoekers van OPERA onvoldoende rekening gehouden met de invloed van de zwaartekracht op de bij het experiment gebruikte klokken. Volgens de relativiteitstheorie heeft het verplaatsing – iets dat bij het experiment met de klok gebeurde – invloed op het verloop van de tijd.

Er gebeurt hetzelfde wanneer de tijd in een voortrazend vliegtuig net iets anders loopt dan in stilstand op de grond (een effect dat al experimenteel getoetst is met atoomklokken). Contaldi meent nu dat de onderzoekers niet voldoende gecompenseerd hebben voor dit effect, met als resultaat dat de tijdsbepaling – en dus de snelheidsbepaling – niet klopt.

Groepsgemiddelde
Een ander punt waarop het met de tijdsbepaling mis kan zijn gegaan, schuilt in de timing van vertrek en aankomst van de deeltjes. De onderzoekers volgden in het experiment namelijk nooit enkele neutrino’s. Dat komt omdat het onmogelijk is om onderscheid te maken tussen de verschillende neutrino’s die in Italië aankomen.

In plaats daarvan bekeken de onderzoekers groepsgemiddelden voor de tijdsduur van de tocht vanaf CERN. Het is echter niet uitgesloten dat in de manier waarop die gemiddelden worden berekend, een onvermoede fout schuilt.

Supernova
Andere verklaringen focusten vooral op redenen waarom de meting niet kan kloppen – of in elk geval onverenigbaar is met de rest van de moderne natuurkunde. Meteen toen het nieuws bekend werd, haalden verschillende bloggers en journalisten al de resultaten van een meting aan een supernova uit 1987 aan. De resultaten uit Gran Sasso, gebaseerd op ruim 16.000 metingen verzameld vanaf 2009, spreken de resultaten van die meting namelijk tegen.

Destijds kwamen de neutrino’s drie uur eerder aan dan het licht van de explosie. Dat kwam niet omdat die neutrino’s sneller dan het licht gingen, maar omdat de fotonen vertraagd werden bij het verlaten van de steratmosfeer. Als de nu in OPERA gemeten neutrinosnelheid klopt, hadden de deeltjes in 1987 vijf tot zes uur eerder moeten aankomen.

Wel plaatsen velen daar direct een voorbehoud bij. De neutrino’s die vrijkwamen bij de supernova-explosie waren namelijk van een ander type en hadden een andere energie dan die uit Gran Sasso – een feit dat in elk geval in theorie voor een andere snelheid van de deeltjes had kunnen zorgen.

Straling
Op het eerste gezicht minder voorbarig is de conclusie van twee natuurkundigen verbonden aan de universiteit van Boston. Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow en Andrew Cohen stelden in een gezamelijke voorpublicatie van 30 september op arxiv.org namelijk dat als de neutrino’s inderdaad zo snel gingen als gesteld, daar een heleboel andere straling bij had moeten vrijkomen – dit vanwege interactie met andere deeltjes die op een lagere snelheid voortbewegen.

De onderzoekers bij CERN en de waarnemers van OPERA zagen in hun detectoren echter geen van de effecten die Glashow en Cohen in hun artikel beschrijven – een bevestiging dat áls de moderne fysica klopt, er in elk geval iets mis moet zijn met de resultaten uit Gran Sasso.

Extra dimensie
Een laatste categorie verklaringen probeert de theorieën van Einstein overeind te houden als de metingen onverhoopt wél blijken te kloppen. ‘Ik zou ontzettend blij zijn als het resultaat juist blijkt. Ik opteer dan direct voor de oplossing dat neutrino’s sneller lijken te gaan dan de lichtsnelheid omdat ze sneaky in een extra dimensie reizen’, vertelt Linde.

Volgens sommige natuurkundige theorieën bestaan er voor de mens onzichtbare extra dimensies buiten onze vertrouwde vier (drie ruimtelijke en één tijdsdimensie). Als de deeltjes door die dimensies kunnen reizen, kunnen ze in principe een gedeelte van de 730 kilometer tussen CERN en Gran Sasso afsnijden.

Linde noemt deze optie ‘helemaal mijn favoriet’, omdat het alternatief – dat de deeltjes wél sneller gaan dan het licht – enorme complicaties oplevert. ‘In dat geval schenden die deeltjes de causaliteit.’ Oorzaak en gevolg kunnen dan omdraaien, meent hij, en dat zorgt voor verwarring.

Race
Of de deeltjes in Gran Sasso nu aankwamen met een snelheid hoger dan die van het licht of niet, het lijkt met de dag minder aannemelijk dat zij de moderne natuurkunde compleet over hoop zullen gooien. Maar de race voor de een sluitende verklaring is in elk geval nog in volle gang.