Je leest:

Zaak van de snelle neutrino’s definitief gesloten

Zaak van de snelle neutrino’s definitief gesloten

Einsteins theorie blijft overeind

Auteur: | 15 juni 2012

Het is over. Finito. Neutrino’s gaan echt niet sneller dan het licht. Het Italiaanse onderzoeksteam dat eind vorig jaar die opzienbarende claim deed, heeft nu toegegeven dat hun metingen onjuist waren. Kennislink dook in de zaak van de sneller-dan-licht-neutrino’s: waar ging het mis?

Dit nieuws zal voor niemand echt een verrassing zijn. Vanaf het moment dat de Italiaanse onderzoeksgroep OPERA vorig jaar september met het absurde resultaat kwam dat ze neutrino’s hadden gemeten die sneller dan het licht reisden, overheerste de scepsis onder de natuurkundige gemeenschap. En toen eerder dit jaar ook nog twee fouten in de meetopstelling aan het licht kwamen leek het een kwestie van tijd voordat het OPERA-team het resultaat definitief naar de prullenbak zou verwijzen.

OPERA, de naam van een enorme ondergrondse detector die speurt naar neutrino’s staat voor Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus.
OPERA collaboration

Nieuwe metingen

Dat is nu dus gebeurd, tijdens een internationale conferentie over neutrino-onderzoek in het Japanse Kyoto. Hier werden de nieuwste metingen gepresenteerd van neutrino’s die vanaf deeltjeslab CERN in Genève weggevuurd werden naar het 730 kilometer verder gelegen Italiaanse lab Gran Sasso, diep onder de Apennijnen. In dit lab staan vier grote detectoren: OPERA, ICARUS, LVD en Borexino.

Het was de OPERA-detector waarmee de onderzoekers vorig jaar neutrino’s dachten te meten die 60 nanoseconden eerder aankwamen dan als ze met de lichtsnelheid hadden gereisd.

Maar bij de nieuwe metingen, die de afgelopen maanden zijn gedaan, klokten alle vier de detectoren nu netjes de lichtsnelheid. Bovendien kwam het Amerikaanse MINOS-experiment van Fermilab met een nauwkeurigere herberekening van eerdere snelheidsmetingen aan neutrino’s en kwam ook hier de lichtsnelheid uitrollen. Kortom, zaak gesloten. We kunnen weer rustig gaan slapen. Einsteins relativiteitstheorie die ervan uitgaat dat niets sneller kan dat het licht blijft overeind. Blijft over de vraag: hoe ontdekte het team waar de fouten zaten en hoe maakten ze die ongedaan?

‘Los kabeltje’?

Toen het nieuws over de twee fouten naar buiten kwam, berichtten veel media dat een ‘los kabeltje’ de oorzaak was van een verkeerde meting. Alsof de fout wel erg voor de hand lag. Maar zo eenvoudig ligt dat niet. Metingen aan neutrino’s of andere kleine deeltjes vereisen omvangrijke, complexe systemen om de deeltjes te detecteren. Denk aan honderden of soms wel duizenden verschillende elektrische en optische vezelkabels. Wat de invloed van één slechte verbinding is op de data is moeilijk te zeggen. Dat kan een heel subtiel effect zijn, of verwaarloosbaar weinig. De fout opspeuren in zo’n systeem is zoeken naar een naald in een hooiberg. Eigenlijk dus heel knap dat ze die vonden.

Twee fouten

Eind februari wisten we alleen – via een door CERN uitgegeven persbericht – dat het OPERA-team twee fouten in het experiment had geïdentificeerd. Enerzijds hadden ze een niet goed aangesloten optische vezel opgemerkt – in veel media destijds aangeduid als een ‘los kabeltje’ (zie kader) – en de tweede fout betrof een oscillator die de tijdsaanduidingen verzorgde van GPS-signalen.

Opmerkelijk was dat de fouten volgens dit persbericht twee kanten op werkten: de eerste fout zou de neutrino’s eerder hebben laten aankomen, en de tweede fout juist later. In theorie bestond dus nog de mogelijkheid dat de neutrino’s in werkelijkheid nóg sneller waren gegaan, mocht de tweede fout van grotere invloed zijn dan de eerste. In hoeverre de twee gevonden fouten doorwerkten in het meetresultaat was op dat moment nog niet bekend.

Vinden van eerste fout

In werkelijkheid vond het OPERA-team de fouten overigens al in december. Dat blijkt uit een presentatie die OPERA-onderzoeker Maximiliano Sioli eind maart gaf tijdens een workshop in Gran Sasso. De eerste paar maanden na bekendmaking van het meetresultaat in september besteedde het team aan het uitpluizen van hun analyses, statistische methodes en andere vraagstukken over de opzet. Pas in december begonnen ze de apparatuur eens na te lopen. Ze hadden de fouten dus zelfs veel eerder kunnen (of moeten?) vinden, als ze waren begonnen met het nalopen van hun apparatuur.

Over de fouten zelf komen we meer te weten in een andere presentatie tijdens die workshop eind maart, van onderzoeker Gabrielle Sirri. Begin december deed het team metingen aan het tijdsinterval tussen het moment dat een signaal afkomstig van een GPS-tijdsysteem boven de grond in een computer in het ondergrondse lab aankwam en het moment dat de zogeheten master clock van OPERA dit signaal doorstuurde naar alle computers in het lab.

De laatste keer dat ze deze tijdsduur hadden gemeten was in 2007; toen was het 41000 nanoseconden. Nu, in december 2011, bleek het 41075 nanoseconden te zijn. Een tijdsverschil van 75 nanoseconden, waarmee de neutrino’s – foutief – eerder zouden aankomen. En cruciaal: om en nabij die 60 nanoseconden waarmee de neutrino’s zogenaamd sneller waren gegaan dan het licht.

Het stijgende blauwe lijntje vertegenwoordigt het signaal dat door de slecht aangesloten kabel vertraagd wordt. Als de kabel niet goed vast zit (onder) duurt dit duidelijk langer dan als deze wel vast zit (boven).
LNGS – G. Sioli, Universiteit van Bologna

Zich realiserend dat dit wel eens dé fout kon zijn zochten ze naar de oorzaak, die ze een week later vonden: de niet goed aangesloten optische vezel. Toen ze deze goed vastdraaiden en opnieuw de zojuist genoemde tijdsduur maten, kwamen ze op de 2007-waarde uit van 41000 nanoseconden. Saillant detail: dit gebeurde op 13 december 2011, de dag dat de hele wereld in de ban was van een mogelijke vondst van het Higgs-deeltje. En zij dus beseften dat hun ‘groot-nieuws’-meting fout was geweest.

Links de kabel op 6 december 2011, dus toen deze nog slecht aangesloten was. Rechts, op 14 december, als de kabel goed vast zit. In één plaatje waarom we een half jaar lang mochten geloven in sneller-dan-licht-neutrino’s.
G. Sirri, INFN Bologna

Oscillator niet synchroon

Ongeveer rond dezelfde tijd ontdekten ze de tweede fout, een afwijking (in het Engels: timing drift) in de tijdsaanduidingen van de metingen. Wat was het geval: OPERA haalde data binnen in pakketjes van 0,6 seconden. Aan het begin en einde van zo’n datapakket werd een tijdstempel gehangen, zodat men wist wanneer het ene pakketje eindigde en de volgende begon.

Alleen, de oscillator die dat moest doen, liep net niet helemaal synchroon mee. Gedurende de 0,6 seconden dat een pakketje data werd binnengehaald tikte de oscillator net iets sneller zijn tijd weg, tot 74 nanoseconden aan het einde van zo’n pakketje. Simpel gezegd leken de pakketjes dus korter dan ze in werkelijkheid waren. Vergelijk het met dat je denkt dat je 24 kilometer hebt gefietst in een uur, maar, omdat je horloge zonder dat je het wist sneller tikte, je er in werkelijkheid drie kwartier over deed. Je snelheid was dus niet gemiddeld 24 kilometer per uur, maar 32 kilometer per uur.

Dit betekent dat de neutrino’s door deze fout sneller zouden zijn gegaan dan uit de meting zou blijken. Alleen, omdat de neutrino’s niet evenredig verdeeld werden over de datapakketjes – ingewikkeld verhaal – telde dit niet op tot een tijdsverschil van 74 nanoseconden, maar tot gemiddeld 12,3 nanoseconden. Kortom, 12,3 nanoseconden te langzaam door de oscillator en 73 nanoseconden te snel door de losse kabel en je komt ongeveer uit op neutrino’s die 60 nanoseconden te snel gingen. Pronto, mysterie opgelost.

Muonen als definitief bewijs

Nou ja, bijna. Wat het OPERA-team nog even vast moest stellen was of de kabel al slecht aangesloten was vóórdat ze met de metingen begonnen, of pas halverwege de metingen losraakte. In het laatste geval zou het effect op de metingen minder groot zijn dan ze nu dachten. Ze hadden geen foto’s van de kabel van voor oktober 2011, dus ze moesten het op een andere manier controleren. Ze schakelden de hulp in van een andere detector in het lab, de LVD-detector. Deze staat hemelsbreed op slechts 160 meter afstand.

Ze vergeleken voor beide detectoren de meting van kleine deeltjes genaamd muonen. Muonen ontstaan als geladen deeltjes uit de ruimte – kosmische straling – op moleculen in onze atmosfeer botsen. Zo’n muon kan tot diep in de aarde doordringen en zowel door de OPERA-detector gaan als door de LVD-detector. Het blijkt dat dit vooral uit één specifieke richting gebeurt (zie afbeelding hieronder). In de afgelopen vijf jaar hebben ze op die manier zo’n 300 muonen gedetecteerd.

Een bovenaanzicht van het Gran Sasso lab waarbij een muon (rood gestreepte lijn) door OPERA (oranje rechthoek) gaat en vervolgens door LVD (gele rechthoek).
Presentatie A. Zichichi, mini-workshop Gran Sasso

De muonen bewegen met vrijwel de snelheid van het licht en de afstand tussen de detectoren kan heel precies gemeten worden – ze staan tenslotte in hetzelfde laboratorium. Als ze nu zowel de aankomsttijd van een muon in de OPERA-detector en de aankomsttijd van datzelfde muon in de LVD-detector meten kunnen ze uitrekenen met hoeveel de klokken van beide detectoren verschillen. Dat leverde het volgende plaatje op.

Het tijdsverschil tussen de klokken van de LVD- en OPERA-detector. Halverwege 2008 ontstond een tijdsverschil wat aan het eind van 2011 weer ongedaan werd gemaakt.
M. Sioli, mini-workshop Gran Sasso

Duidelijk is te zien dat er halverwege 2008 – voordat de neutrino-metingen van OPERA waren begonnen – een tijdsverschil optrad tussen de klokken van LVD en OPERA van ongeveer 73 nanoseconden. Aan het eind van 2011, toen het OPERA-team de losse kabel ontdekte en vastschroefde, sprong het tijdsverschil weer terug naar nul. Een duidelijk bewijs dus dat de losse kabel vrijwel volledig verantwoordelijk was voor het gemeten tijdsverschil van de neutrino’s met de lichtsnelheid. De resultaten van deze ‘muonen-check’ verschenen deze week in een (nu nog ongepubliceerde) wetenschappelijke publicatie.

Neutrino-overgangen

Met de nieuwe metingen van dit voorjaar is het definitieve bewijs geleverd dat de sneller-dan-licht-neutrino een sprookje was. Het spreekt voor het OPERA-team hoe secuur en professioneel ze te werk zijn gegaan om de fouten uit hun experimenten te halen. Zoveel wordt duidelijk uit de presentaties tijdens de workshop in maart. Tegelijkertijd blijven vragen open staan. Waarom checkten ze niet direct al hun apparatuur en verbindingen? Waarom deden ze niet eerder de vergelijking met de LVD-detector? En waarom maakten ze niet meteen in december bekend dat ze fouten hadden gevonden?

Hoe dan ook, deze ‘casus’ was een mooi voorbeeld van wetenschap in actie, vindt ook onderzoeksdirecteur Sergio Bertolucci van CERN. In een persbericht liet hij optekenen: “Een onverwachts resultaat werd gepresenteerd ter controle, nauwkeurig onderzocht en verklaard, mede dankzij een samenwerking van experimenten die normaliter concurreren met elkaar. Zo gaat de wetenschap vooruit.” Zeker waar, ook al vergeet hij voor het gemak te noemen dat het ook de nodige ‘slachtoffers’ heeft gekost. De coördinator natuurkunde en woordvoerder van het OPERA-experiment stapten een tijdje geleden op.

Het IceCube-experiment, met een detector diep onder het ijs van Antarctica, zoekt ook naar sporen van neutrino-overgangen.
Freija Descamps/NSF

Intussen is het OPERA-experiment verder gegaan met waarmee het eigenlijk ontworpen was: het meten van de overgangen van neutrino’s in hun drie verschijningsvormen, de elektron-neutrino, muon-neutrino en tau-neutrino. Dat neutrino’s van de ene in de andere ‘smaak’ kunnen overgaan, betekent dat ze een massa hebben, iets dat niet door het Standaardmodel voorspeld wordt.

Veel experimenten zoeken naar deze overgangen. Hoe vaak de een in de ander overgaat zegt iets over hun massa. Vaak bestaat het bewijs voor een overgang eruit dat een bepaalde smaak neutrino minder wordt gemeten dan waarmee men oorspronkelijk begon. In 2010 ontdekte OPERA de eerste tau-neutrino in een bundel van muon-neutrino’s. Een duidelijke aanwijzing, maar voor écht bewijs van een neutrino-overgang zijn meerdere van zulke vondsten nodig. Nu heeft OPERA een tweede tau-neutrino gevonden, meldde het team vorige week in Japan. Ze zijn op de goede weg. Kortom, voorlopig zullen we nog genoeg horen van OPERA, al is het hopelijk nu om de goede redenen.

Lees de neutrino-saga terug op Kennislink:

Bronnen:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 juni 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.