Vorige week deed ik nog verslag van de zoektocht naar het Higgs-boson met de LHC. Het meest besproken wetenschapsnieuws van het afgelopen jaar kwam echter van een ander experiment op CERN: het OPERA-experiment, waarbij er neutrino’s gemeten zijn, die zich sneller zouden hebben voortbewogen dan de lichtsnelheid in vacuüm.
De voorbije maanden gonsde het ervan op internet en in alle kranten – ook die zonder noemenswaardig wetenschapskatern – doken er analyses van het neutrino-experiment op. Zelfs als je op restaurant zit, kan het tegenwoordig zo maar gebeuren dat je in een flard van het gesprek aan het tafeltje naast je de woorden “neutrino” en “relativiteitstheorie” opvangt. En die mensen zitten dan nog niet eens aan het hoofdgerecht!
De primeur had ik gemist (maar dat gebeurt wel vaker): terwijl heel de wereld het al over die neutrino’s had, waren wij nog nietsvermoedend in Polen, waar we al twee dagen zonder internet zaten. Twee volledige dagen! Zo kon het niet langer, dus moesten we wel op café gaan, waar we bij een groot glas bier (Zywiec) ook op het draadloos netwerk mochten. In mijn inbox zat er een e-mail van Tim. Daarin een link naar een krantenartikel over neutrino’s die sneller dan het licht gegaan zouden zijn en de vraag of ik hier meer van wist. Niet dus. :-(
Als neutrino's inderdaad sneller gaan dan het licht, dan moeten we de fundamenten van de relativitietstheorie herzien. (Bron van de afbeelding: http://foksuk.nl/nl?cm=79&ctime=1316815200)
Intussen heb ik natuurlijk ruim de tijd gehad om mijn schade in te halen. Meteen bij thuiskomst uit Polen heb ik het artikel gelezen en ook de commentaren gevolgd. Het was leuk om te zien hoeveel belangstelling ervoor was. Ik geef een klein overzicht van mijn eigen bevindingen tot nu toe, aan de hand van deze drie vragen:
- Hoe betrouwbaar is het resultaat, zo op het eerste zicht?
- Wat zijn neutrino’s eigenlijk?
- Gingen die neutrino’s nu sneller dan c of niet?
(1) Hoe betrouwbaar is het resultaat, zo op het eerste zicht? Een eerste belangrijke kanttekening bij deze vraag is dat de bevindingen (nog) niet in een wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd zijn, maar enkel als een preprint op arXiv.org staan. (Over dit systeem van wetenschappelijke voorpublicaties schreef ik eerder al.) Als je het artikel daar opzoekt, valt meteen op hoe complex de hele onderneming geweest is: alleen al aan het aantal co-auteurs kun je zien hoeveel mensen erbij betrokken zijn, die elk verantwoordelijk zijn voor een klein onderdeel in het meetproces of de data-analyse.
Aan het einde van hun artikel geven de betrokken wetenschappers expliciet aan dat ze zich wensen te onthouden van speculaties. Welke impact hun bevindingen zouden kunnen hebben op de theoretische fysica is wat hen betreft nog niet aan de orde: zij laten uitdrukkelijk de mogelijkheid open dat er een systematische fout op de metingen kan zitten, die ze ondanks zorgvuldige analyse over het hoofd hebben gezien. (Dit staat in schril contrast met niet-specialisten, die veel minder scrupules hebben om de suggestieve maar onbevestigde experimenten te aanvaarden en wel over verregaande implicaties te speculeren. Tijdreizigers en tachyonen, ahoi!) Aangezien er bij geen enkele andere meting van neutrino’s ooit superluminale snelheden aangetoond zijn, lijken weinig fysici te geloven dat die Zwitsers neutrino’s wel dat ultieme snelheidsrecord hebben gebroken. De consensus lijkt eerder te zijn dat er wel iets misgegaan zal zijn, wat niet belet dat de cruciale fout dan nog gevonden moet worden.
In een persbericht legde collega-filosoof uit Groningen, Jan-Willem Romeijn, al uit dat het nieuws rond de vermeende superliminale neutrino’s een interessante gevalstudie oplevert, waaruit je kunt leren hoe wetenschap werkt – zelfs als uiteindelijk blijkt dat die neutrino’s toch niet sneller dan de lichtsnelheid gingen. Hoewel filosofen graag discussiëren, geef ik hem hierin volmondig gelijk. ;-)
(2) Wat zijn neutrino’s eigenlijk? Neutrino’s zijn elementaire deeltjes en ze zijn eigenlijk constant overal om ons heen. Neutrino’s worden heus niet enkel opgewekt in onondergrondse, fysische labo’s; ook onze zon bombardeert ons constant met gigantische aantallen van deze deeltjes. Gevaarlijk zijn ze niet, want neutrino’s reageren nauwelijks met gewone materie. Zo gaan er elke seconde van de dag zo’n 65 miljard neutrino’s door elke vierkante centimeter van ons hoofd, zelfs als we binnen zitten. Die neutrino’s komen er ongemerkt aan onze voeten weer uit en gaan dan ook nog eens dwars door de aarde heen – de gluiperds! Juist omdat neutrino’s zo weinig interageren met de rest van de wereld, is het bijzonder moeilijk om neutrino-experimenten te doen. De kunst is om grote aantallen ervan op te wekken en dan een reusachtige detector te bouwen in de hoop een zeer kleine fractie van de passerende neutrino’s te betrappen. Anders gezegd: het is allemaal een kwestie van zéér kleine kansen, maar door met grote aantallen deeltjes te werken, wordt de kans om enkele neutrino-gerelateerde gebeurtenissen te detecteren alsnog bijna 100%. En dan – voor de sport – ook nog hun snelheid proberen te achterhalen? Het is niet niks!
Op 24 oktober hield de Koninklijke Nederlandse Academie voor Wetenschappen (KNAW) een mini-symposium over neutrino’s en het intussen beruchte experiment op CERN. In onderstaand filmpje houdt sterrekunde-professor Frank Linde een zeer heldere uiteenzetting over neutrino’s en hun detectie. (De opnames van de overige drie sprekers kun je vinden op de Vimeo-website van het KNAW. Er staat ook een verslag op Wetenschap24.)
(3) Gingen die neutrino’s nu sneller dan c of niet?
Vorige week legde ik al uit dat de lichtsnelheid in vacuüm, c, de absolute maximumsnelheid is voor deeltjes die een (rust-)massa hebben. Neutrino’s hebben een kleine massa en behoren zich dus netjes aan deze ultieme snelheidsbeperking te houden. Ja, ook in het weekend op de snelweg bij droog weer. En ook in ondergrondse tunnels tussen Zwitserland en Italië. In het zelfde bericht schreef ik ook dat de lichtsnelheid in een medium lager is dan die in vacuüm. Hierdoor is het mogelijk dat geladen deeltjes in een medium sneller gaan dan het licht in dat medium (maar dus niet sneller dan c). Als dit gebeurt, gaat dat niet ongemerkt voorbij: er komt daarbij Cherenkov-straling vrij.
Wat heeft dit nu met het neutrino-verhaal te maken? Als die neutrino’s sneller dan c waren, dan moest er daarbij ook karakteristieke straling vrijgekomen zijn. Niet precies Cherenkov-straling (want neutrino’s zijn geen geladen deeltjes), maar wel een andere vorm van remstraling of ‘Bremsstrahlung‘. Fysici Cohen en Glasgow hebben intussen een artikel gepubliceerd waarin ze schrijven dat superluminale neutrino’s paren van elektronen en positronen doen ontstaan. Hierdoor verliezen de snelle neutrino’s veel energie en gaat dus ook hun topsnelheid snel achteruit. Een andere groep analyseerde de gegevens van het neutrino-experiment en vond daarin geen sporen van de door Cohen en Glashow voorspelde straling.
Zo, Tim, je hebt er een paar maand op moeten wachten, maar dit is dan eindelijk je antwoord: we kunnen voorlopig besluiten dat de neutrino’s niet sneller zijn geweest dan c. (Lees ook de samenvatting bij Kennislink, waarin er wel nog enkele exotische opties worden opengelaten.)
De neutrino's worden teruggefloten: hoe sneller ze gaan, hoe meer elektron-positron paren er ontstaan, waardoor de deeltjes afremmen. Deze straling is echter niet waargenomen in het OPERA-experiment.
Het mooie aan wetenschappelijk denken is dat het zo efficiënt is. Als je de moeite doet om één stukje theorie echt uit te pluizen (bijvoorbeeld hoe de snelheid van het licht varieert afhankelijk van het medium), blijkt dit nieuwe begrip later altijd nog op verrassend veel andere plaatsen van toepassing (ook bij ondergrondse neutrino’s). Fysica: het kost soms wat moeite, maar dan heb je ook wat. :-)
Gelijkaardige berichten:
Pingback: Argumentatiefouten over kansrekening » Sylvia's blog
Pingback: Vaarwel juli, welkom augustus (met regenbogen) » Sylvia's blog