Het Grote Mysterie van de Deeltjes die Sneller Gaan dan het Licht

De wereld stond vorige week even stil. Tenminste zo leek het, toen bleek dat neutrino’s sneller kunnen gaan dan het licht.

Hoe zit dat? En wat zijn neutrino’s ? Het onverklaarbare verklaard in zeven vragen.

Neutrino's in beeld gebracht tijdens het OPERA-experiment. Foto CERN
Neutrino's in beeld gebracht tijdens het OPERA-experiment. Foto CERN

Wat is een neutrino?

Elementaire deeltjes zijn nou niet per se objecten van liefde. Maar het neutrino is een uitzondering. Opvallend veel fysici noemen het hun ‘favoriete deeltje’. En dat komt ongetwijfeld doordat neutrino’s, de kleinste van alle elementaire deeltjes, zo ongrijpbaar en ongenaakbaar zijn.

Neutrino’s, die in enorme aantallen vrijkomen in sterren zoals de zon en bij supernova-explosies, doorkruisen het heelal alsof dat een lege vlakte is. Als ware het spookdeeltjes vliegen ze dwars door sterren en planeten en ze passeren de aarde alsof die helemaal niet bestond. En dus ook: zonder sporen achter te laten. Wie heeft ooit in de gaten dat elke seconde door elke vierkante centimeter aardoppervlak – een stukje, klein als een duimnagel – 65 miljard neutrino’s razen?

En toch hebben ook die ongenaakbare neutrino’s één zwak punt. Doordat ze vrijwel geen massa hebben, blijft onzichtbaar hoe de zwaartekracht ze bijstuurt. Doordat ze geen elektrische lading dragen, krijgen elektrische en magnetische velden geen vat op ze. En aan de sterke kernkracht die atoomkernen bij elkaar houdt, laten neutrino’s zich evenmin iets gelegen liggen. Maar: de zwakke kernkracht, de vierde van de tot dusver bekende krachten in de natuurkunde, kan neutrino’s wel temmen.

Althans, af en toe. Van de talloze triljarden neutrino’s die elke seconde door de aarde razen laat de zwakke kernkracht er telkens een handjevol vastlopen. En als fysici meetapparaten bouwen die erg groot en erg zwaar zijn, dan gebeurt zoiets daarin nu en dan ook. Voilà, zo verraadt het neutrino indirect dan toch zijn bestaan: want als een neutrino onder invloed van die zwakke kernkracht in een atoomkern strandt, ontstaan daarbij andere deeltjes die wél goed te meten zijn.

En er is nog iets wat het leven van fysici vergemakkelijkt: neutrino’s kun je zelf maken. Met deeltjesversnellers bijvoorbeeld. Het voordeel is dat je ze dan recht op een meetapparaat kunt afsturen, zonodig dwars door de aarde. Bovendien kun je ze zo flink wat energie meegeven, wat de kans op meetbare neutrinobotsingen vergroot.

Dat is precies wat de fysici van het OPERA-experiment in Gran Sasso, samen met collega’s van het CERN bij Genève, deden. Ze wilden zo meer inzicht krijgen in exotische eigenschappen van dit deeltje. Maar per ongeluk stuitten ze op iets heel anders...

Wat vonden de fysici?

De 150.000 loodblokken (8 kilo per stuk) van het OPERA-experiment lagen netjes opgestapeld onder de rotsen van de Gran Sasso, de hoogste bergtop van de Italiaanse Apennijnen. Klaar om neutrino’s te vangen. De versnellerexperts van CERN, het Europese instituut voor deeltjesonderzoek, stuurden zulke neutrino’s al een tijdje van Genève naar die stapel lood. En toen bedacht een groepje fysici dat je met deze meetopstelling óók iets heel anders kon doen dan moeizaam de eigenschappen van neutrino’s achterhalen: simpelweg bekijken of deze deeltjes inderdaad met de lichtsnelheid reizen.

Dat wil zeggen: alleen deeltjes die helemaal geen massa hebben, lichtdeeltjes dus, reizen echt met de lichtsnelheid. Maar omdat neutrino’s bijna niks wegen (ze zijn honderdduizenden keren lichter dan het één-na-lichtste deeltje, het elektron) benaderen ze de lichtsnelheid tot op 99.9999999999 procent. In de praktijk is dat dus: de lichtsnelheid.

En hoe kun je nagaan of ze zich daaraan houden? Simpel: door de afstand te meten tussen CERN en Gran Sasso, door te meten wanneer de neutrino’s op CERN vertrekken, en door hun aankomst in Gran Sasso te klokken. De snelheid is daarna simpelweg de afstand gedeeld door de reistijd.

Behalve natuurlijk dat er, zoals gewoonlijk, tussen papier en praktijk een diepe kloof gaapt. Zo eenvoudig zijn superprecieze afstandsbepalingen en vooral, superprecieze tijdmetingen, niet. Sterker, er zitten zo veel haken en ogen aan dat de fysici hun eigen meetresultaat niet geloven (zeggen ze). En ja, het is buitenissig.

Als het waar is, is het revolutionair: de neutrino’s zouden sneller reizen dan het licht. Niet veel sneller: 300.007,5 kilometer per seconde in plaats van 300.000 kilometer per seconde. Maar toch, zoiets is volgens alle inzichten van de moderne natuurkunde volstrekt verboden.

Maar eh, hoe meten ze de afstand CERN-Gran Sasso dan?

Dat was één onderwerp dat veel vragen opriep, afgelopen vrijdag, na afloop van de lezing op CERN waarin Dario Autiero van het Institut de Physique Nucléaire in Lyon het merkwaardige meetresultaat uit de doeken deed. En ja, natuurlijk waren er vragen. De aanname dat geen enkel deeltje sneller kan gaan dan het licht vormt een hoeksteen van de relativiteitstheorie, waarin weer de hele moderne natuurkunde is verankerd. En hoe hoog de meeste fysici hun OPERA-collega’s ook achten, toch kunnen zij moeilijk geloven dat één enkele meting dat hele bouwwerk van de natuurkunde zomaar onderuit zou halen.

Vragen, vragen, vragen dus. Was er bij het bepalen van de afstand CERN-Gran Sasso rekening gehouden met de getijdenwerking van de maan die de aardkorst een beetje laat bewegen? En met seizoensinvloeden, dus dat zomerse temperaturen de rotsen in Gran Sasso laten uitzetten?

Autiero kon het allemaal afdoende beantwoorden. Eerder had hij al uitgelegd dat je de afstand CERN-Gran Sasso met GPS-systemen preciezer kunt bepalen dan deze snelheidsmeting vereiste. Met één complicatie: ondergronds kun je geen GPS-signalen ontvangen. Daarom namen de fysici hun toevlucht tot ‘ouderwetse’ methodes uit de bouw, met licht, om de afstand tussen de ingang van de verkeerstunnel onder Gran Sasso en het daarnaast liggende ondergrondse meetapparaat te bepalen. En om te voorkomen dat trillingen zulke metingen zouden storen, lieten ze het verkeer in die tunnel in één richting stilleggen.

Ja, helemáál stilleggen was nog mooier geweest, beaamde Autiero. Maar het eindresultaat, een meetonzekerheid van 20 centimeter op 730 kilometer (om precies te zijn: 730,53461 km), is ruimschoots genoeg, zei hij.

„Klopt”, zegt Frank Linde, directeur van het Nederlands instituut voor deeltjesfysica Nikhef. Want de voorsprong die neutrino’s op het licht namen was 18 meter. „Honderdmaal zo lang.” Anders gezegd: ook als de OPERA-fysici er 20 centimeter naast zitten (de meetonzekerheid), of zelfs een halve meter, dan nog blijft hun resultaat fier overeind.

En hoe meet je de reistijd van neutrino’s?

Als je wilt weten hoe lang de neutrino’s onderweg waren, moet je hun vertrektijd en hun moment van aankomst kennen. Het moment van aankomst vaststellen is het makkelijkst. De rotsen van Gran Sasso absorberen vrijwel alle deeltjes uit de dampkring en van elders die storende signalen in het meetapparaat zouden geven. Daardoor kunnen de fysici makkelijk de relatief zeldzame gebeurtenissen oppikken waarin een neutrino vastloopt in het lood. De nieuwe deeltjes die daarbij ontstaan, registreren ze razendsnel met standaardtechnieken uit de deeltjesfysica.

De vertrektijd vaststellen is ingewikkelder. Neutrino’s maak je niet met een vingerknip. Het vergt een ingewikkeld recept met verschillende ingrediënten. In grote lijnen gaat het zo: eerst maken de CERN-experts snelle protonen – relatief zware deeltjes zijn dat. Een ‘kickermagneet’ schopt daarna om de zoveel tijd enkele biljoenen (!) van die protonen tegen een stukje grafiet.

Het resultaat? Een heleboel ‘pionen’ die vervolgens ergens onderweg in een ruim 700 meter lange pijp uit elkaar vallen in ‘muonen’ én neutrino’s. Ingewikkeld, ja. De clou is dat de versnellerexperts zulke pionen heel precies op Gran Sasso kunnen richten. Zo sturen ze dan indirect ook de ontembare neutrino’s recht op deze Apennijnse berg af. Fijn detail is dat de stuurmagneet die ze hiervoor gebruiken – de ‘neutrinohoorn’ – door de Nederlandse Nobelprijswinnaar Simon van der Meer is bedacht.

Maar belangrijker is dit: de fysici kunnen de vertrektijd van één enkel neutrino zo nooit meten. Ze stellen alleen de vertrektijden van een hele groep vast: wanneer de eerste vertrekt en wanneer, ongeveer 10 microseconde (miljoenste seconde) later, de laatste. In Gran Sasso pikken ze dan van elke miljard uit CERN vertrokken neutrino’s gemiddeld eentje op.

Zit de fout dan in de vertrektijd?

Dat is wat veel fysici vermoeden. OPERA-expert Autiero legde vrijdag tot in de kleinste details uit hoeveel moeite er is gedaan om zowel de aankomst- als de vertrektijd van de neutrino’s zo precies mogelijk vast te stellen. En om de klokken op CERN en in Gran Sasso exact gelijk te laten lopen. De fysici gebruikten atoomklokken, draagbare atoomklokken, GPS-systemen enzovoorts.

„Maar het punt is”, zegt Nikhef-directeur Linde, „dat het systeem op CERN niet is ontworpen voor een meting als deze. Dan zou je het anders hebben gedaan.” Om iets te noemen: de neutrino’s kwamen in Gran Sasso gemiddeld 60 nanoseconde eerder aan dan verwacht – ofwel 60 miljardste seconde. Maar dat minieme effect is dus gemeten met groepjes neutrino’s waarin alleen al tussen het eerste en laatste neutrino een 200 keer zo groot tijdsverschil zit: namelijk die 10 microseconde. Alsof je millimeters opmeet door een meetlint van een meter een klein stukje te verschuiven en die verschuiving met laserstralen op te meten – niet echt handig.

Nog iets: de atoomklok op CERN is gekoppeld aan de kickermagneet, die aan het begin van de neutrinoproductie staat. Weten de CERN-fysici echt precies hoeveel tijd het hele recept daarna nog in beslag neemt? Als ze een stukje kabel van 12 meter over het hoofd hebben gezien, dan verklaart dat het hele ‘sneller-dan-het-licht-effect’.

Is zo’n meting nooit eerder gedaan?

Jawel, in de kosmos, nadat in 1987 een supernovaontploffing zichtbaar was geworden aan de hemel. Astronomen hebben toen nauwkeurig bepaald hoe lang de neutrino’s uit die supernova erover hadden gedaan om de aarde te bereiken. In een artikel uit 1987 schrijven zij dat de deeltjes zich keurig aan de lichtsnelheid hadden gehouden.

Hoe verklaren we dat? Tja, die vraag kreeg OPERA-expert Autiero vrijdag ook. Het was de enige vraag die gesteld werd door een vrouw en hij werd, toevallig of niet, weggewuifd. „Ten onrechte”, zegt neutrino-expert Maarten de Jong. „Stel dat de neutrino’s inderdaad wél sneller dan het licht bewegen. Dan tikt dat op zulke astronomische afstanden flink aan. Je kunt uitrekenen dat ze bij deze supernova, 160.000 lichtjaar weg, een voorsprong van anderhalf jaar op het licht hadden moeten nemen. Zoiets hadden astronomen zeker moeten merken, toen, of bij andere metingen.”

Nikhef-directeur Linde ziet het anders: „Kijk, de neutrino’s uit deze supernova hadden een veel lagere energie. (Voor de liefhebber: 10 MeV tegen 17 GeV bij CERN, red.). En in het algemeen geldt: veel energie leidt tot hogere snelheid. Het kán dus allebei waar zijn.”

Voormalig CERN-directeur Engelen gelooft de CERN-meting niet. En hij betreurt het dat het instituut naar buiten trad, zonder kennelijk de vele, vele metingen mee te wegen waarmee de relativiteitstheorie „uit en te na” is getoetst. „Ik ben erg bezorgd. Kijk, de affaire-Stapel onlangs, dat was fraude. Het plagiaat van René Diekstra destijds, dat was ondeugend. De onderzoekers die deze week ten onrechte zeiden dat melk gezond was, die waren met een overenthousiaste persvoorlichter in zee gegaan. En dat CERN nu een uitzonderlijke claim naar buiten brengt zonder het bijbehorende uitzonderlijk zware bewijs te leveren, dat is... Naïef? Ondoordacht? Ik weet het niet. Maar deze vier verschillende gevallen hebben gemeen dat ze het vertrouwen in de wetenschap schaden. Want wat zeggen we straks: sorry jongens, het was een meetfout, de moderne natuurkunde klopt wel? En wat denken de mensen dan?”

Zit tijdreizen er nu wel of niet in?

Ha, zo’n vraag moet je niet stellen aan experimentele fysici. Linde: „Ik zou het fantastisch vinden als het resultaat klopt. Een prachtige revolutie. Waarom niet? Maar dan nog: we hebben het over neutrino’s die sneller dan het licht gaan. Als een mens wil tijdreizen zou hij daar dus op moeten klimmen. Wat niet kan. En als het toch zou lukken, dan zou hij met zijn massa het neutrino zo veel vertragen, dat het de lichtsnelheid bij lange na niet zou bereiken.” En informatie versleutelen in neutrino’s om zo brieven naar het verleden te sturen? „Dat moet je met theoretici bespreken. Dat is mij te filosofisch.”

Linde voelt meer voor een andere oplossing. Eentje die ook CERN-theoretici aanhangen, met slagen om de arm. Namelijk dat neutrino’s alleen sneller dan het licht lijken te bewegen. Doordat ze stiekem een kortere weg, een snellere route, gevonden hebben. Linde: „Dan zou je drie typen deeltjes kunnen onderscheiden. Ten eerste, de deeltjes die langzamer gaan dan het licht: de deeltjes waaruit ook mensen bestaan. Ten tweede, de deeltjes die met de lichtsnelheid reizen: de lichtdeeltjes. En ten slotte, de deeltjes die zich van de lichtsnelheid niets aantrekken doordat ze de weg afsnijden via extra dimensies: de neutrino’s.”

En dat van alle deeltjes juist de geheimzinnige neutrino’s tot zoiets in staat zouden zijn, klinkt bijna weer logisch. Jos Engelen: „Vooruit, laat ik met je meegaan. Stel dat het resultaat klopt, dan zouden extra dimensies misschien een verklaring kunnen bieden. Maar mij is niet bekend dat iemand ooit zoiets voorspeld heeft vanuit welke theorie dan ook.”

Tja, die jongensboekromantiek van het tijdreizen? Die bladdert zo behoorlijk af. Jammer, anders stond dit verhaal in de krant voordat het getikt werd. En zat de auteur op het strand.