Neutrino’s sneller dan het licht

In dit artikel wordt behandeld of neutrinodeeltjes een hogere snelheid hebben dan de snelheid van licht.

Bijzondere ontdekking

Neutrino’s zijn één van de meest onbegrepen deeltjes uit het heelal. Daarom wordt er veel onderzoek naar gedaan. Wetenschappers hebben een enorme telescoop nodig om neutrino’s te kunnen bestuderen. Deze telescoop staat maar op enkele plekken in de wereld, waaronder één bij het CERN* in Genève (Zwitserland). In Genève werd in september 2011 een grote ontdekking gedaan; de neutrino’s leken namelijk een hogere snelheid te hebben dan de lichtsnelheid.

*Het CERN

Het CERN is een Europese organisatie uit Genève die onderzoek doet naar de elementaire deeltjes. CERN staat oorspronkelijk voor Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europese Raad voor Kernonderzoek) en is opgericht in 1954. Tegenwoordig is ‘CERN’ de naam van het Europees laboratorium dat onderzoekt waaruit materie en straling bestaat. Er werken ongeveer drieduizend mensen fulltime bij het CERN. Ongeveer 500 universiteiten uit 80 landen doen onderzoeken voor het CERN, zij worden daarbij vertegenwoordigd door 6500 wetenschappers.

De deeltjesversneller en de detector

Ondanks de minutieuze afmetingen van de neutrino en het feit dat het overal doorheen vliegt, hebben wetenschappers toch een manier gevonden om het deeltje op te vangen. Middenin de berg Gran Sasso, ter hoogte van Rome in Italië, staat de OPERA-detector. Deze detector maakt het mogelijk om een deel van een bepaalde groep neutrino’s op te vangen. In Genève staat een deeltjesversneller, ook wel SPS-versneller genoemd. Deze deeltjesversneller kan heel exact een bundel neutrino’s afvuren op de OPERA-detector in Gran Sasso. Beide apparaten staan 730 kilometer van elkaar af.

In drie jaar tijd heeft de OPERA-detector in Italië ongeveer zestienduizend van de in totaal verstuurde honderd triljoen (100.000.000.000.000.000.000) neutrino’s uit Zwitserland opgevangen. Door het gebruik van GPS-satellieten was het mogelijk om de afstand tussen de deeltjesversneller in Genève en de OPERA-detector in Gran Sasso tot op 20 centimeter nauwkeurig op te meten. Ook de reistijd van de deeltjes tussen Genève en Gran Sasso was op de nanoseconde te meten.

Sneller dan het licht

Als de tijd en afstand bekend zijn kan men met een simpel rekensommetje de snelheid van de deeltjes uitrekenen. Tot verbazing van de wetenschappers bleken de neutrino’s een hogere snelheid dan de snelheid van het licht te hebben.

Op de website van de wetenschappers staan de resultaten van het onderzoek in, een voor leken, ingewikkeld rapport beschreven. Dit ingewikkelde rapport werd na veel intern onderzoek door de wetenschappers op 23 september 2011 gepresenteerd in een volle collegezaal door het CERN* in Genève. In de collegezaal waren vele hoog aangeschreven wetenschappers uitgenodigd om het grote nieuws aan te horen. Na afloop van de presentatie leek het een goed doordacht onderzoek, aan alles leek gedacht te zijn. Een simpele vertaling van de ingewikkelde presentatie luidt als volgt: als je tegelijkertijd een bundel neutrino’s en een lichtstraal zou verzenden vanuit de SPS-deeltjesversneller naar de OPERA-detector, dan komen de neutrino’s met een voorsprong van 18 meter aan.

Gevolgen van het onderzoek

Als het resultaat van dit onderzoek juist was gebleken, had de gehele natuurkunde op zijn kop gestaan. Alle formules en berekening zijn namelijk gebaseerd op de relativiteitstheorie van Einstein. Deze theorie zegt dat een deeltje dat met de lichtsnelheid reist een interne klok heeft, die stil staat. Een deeltje dat sneller reist dan het ligt (denk aan de neutrino) zou een interne klok hebben die achteruit loopt. Dat zou dus betekenen dat als een mens met de snelheid reist waarmee een neutrino reist, hij of zij jonger aankomt op de bestemming dan dat hij of zij vertrokken is vanaf het vertrekpunt; iets dat voor de mens volledig onbegrijpelijk is.

Onnauwkeurigheid in het onderzoek

Een kritiekpunt in het onderzoek is dat het individuele vertrekmoment van een neutrino niet precies te meten valt. Het opvangen van een neutrino is daarentegen wel weer individueel te meten. Maar, als men de exacte vertrektijd niet kan berekenen, is het lastig de exacte snelheid te berekenen. Deze onnauwkeurigheid was echter zo miniem dat het vrijwel geen verschil maakte voor het resultaat van het onderzoek.

De exacte vertrektijd van een individueel neutrino is dus niet meetbaar door de wijze van tot stand komen ervan. De SPS-deeltjesversneller produceert een groot aantal protronen die op een daarvoor bestemde plaat moeten botsen. Door deze botsing ontstaan dan mesonen. Door de snelle vervaltijd van mesonen ontstaan nieuwe deeltjes, namelijk de neutronen. Het is helaas niet precies te meten wanneer de neutrino’s dan exact ontstaan. Dit ontstaan van neutrino’s gebeurt echter in zo’n korte tijd dat het te verwaarlozen is voor dit experiment.