neutrino

‘Neutrino’s hebben imaginaire massa’

Robert Ehrlich van de George Mason University in Virginia heeft zes waarnemingen beschreven die er op lijken te wijzen dat neutrino’s een imaginaire massa hebben, dus sneller dan het licht bewegen. Wat betekent dit precies?

Neutrino’s zijn vermoedelijk de raadselachtigste waargenomen deeltjes die we kennen. Deze ‘kleine neutraaltjes’ komen voor in drie ‘smaken’, elektron- , mu- en tauon-neutrino, waartussen ze oscilleren. Neutrino’s waarnemen is uiterst  moeilijk, omdat ze alleen via de zogeheten zwakke wisselwerking met andere deeltjes wisselwerken. Pas in de eenentwintigste eeuw is bevestigd dat ze inderdaad massa hebben, al is niet bekend welke massa. Paul Ehrlich denkt hierop een antwoord te hebben. Neutrino’s beschikken over imaginaire massa, en moeten dus tachyonen zijn, dat wil zeggen: deeltjes die alleen sneller dan de lichtsnelheid kunnen bewegen.

Imaginaire getallen
Op de middelbare school krijg je ze helaas niet, maar ze duiken op in het eerste jaar van meer exacte studies, omdat ze zo handig zijn: imaginaire getallen. Het imaginaire eenheidsgetal i is gedefinieerd als de wortel uit -1. i vermenigvuldigd met i levert dus -1 op. Herhaal je dat, dan krijg je -i. Vermenigvuldig je dit weer met i, dan kom je uit op de welbekende 1. Je hebt als het ware een rondje gemaakt rond het nulpunt van een assenstelsel, warbij de i-getallen op de y-as liggen. En inderdaad blijken imaginaire getallen alles te maken te hebben met periodieke verschijnselen.


Waarom kan je niet sneller dan het licht?

Hoe dichter je de lichtsnelheid benadert, hoe groter de totale massa wordt ten opzichte van het punt van waar je meet. De totale massa (M) is . Let op dat wortelteken. Als v, je snelheid, bijna even groot i als c, de lichtsnelheid, nadert v^2/c^2 1, dus de uitdrukking onder het wortelteken 1-1=0. Daardoor wordt de relativistische massa enorm. je kan dus beter snel maken dat je uit de buurt komt, als iets met relativistische snelheid op je afkomt, want al die massa wordt dan omgezet in energie. Precies de lichtsnelheid mag niet, want dan deel je door nul en zou je een oneindige massa hebben. Maar wat gebeurt er als je sneller gaat dan het licht? Dan wordt het getal onder het wortelteken negatief. Er ontstaat dan imaginaire massa. Dit, stelt Ehrlich, is er aan de hand met neutrino’s.

Zes waarnemingen
Ehrlich analyseerde de resultaten van zes eerder door anderen gedane onderzoeken en kwam tot de conclusie dat deze het beste overeenkwamen met het aannemen van een imaginaire massa. Deze onderzoeken bestudeerden CMB fluctuaties, gravitational lensing, spectra van kosmische straling, neutrino oscillaties, en neutrino dubbele beta verval. Deze middelde hij en kwam voor de rustmssa uit op een waarde van ongeveer een miljoenste van die van een elektron. Omdat in zijn theorie neutrino’s sneller dan het licht bewegen, verandert dit dus in een imaginaire massa. Hij beschrijft drie manieren hoe zijn hypothese kan worden getest: op zoek gaan naar een piek van 4.5 PeV in kosmische straling, de energieverdeling van de vrijkomende deeltjes bij het verval van de radioactieve waterstofisotoop tritium bestuderen, of afwijkingen in de neutrinoverdeling waarnemen als er in de galactische buurt een supernova met volledige instorting van de sterkern plaatsvindt. Zou zijn hypothese kloppen, en vinden we een praktische manier om met neutrino’s te communiceren op interstellaire afstanden, dan zijn de gevolgen uiteraard spectaculair. We zouden dan sneller dan licht boodschappen kunnen uitwisselen. Dat maakt een interstellaire kardashev-III beschaving veel haalbaarder.


Source

R. Ehrlich, Six observations consistent with the electron neutrino being a tachyon with mass: m2νe = −0.11 ± 0.016eV2, Arxiv preprint server, 2014 (geaccepteerd voor publicatie door Astroparticle Physics)

Massa neutrino’s voor eerste keer gemeten – met telescoop

Voor het eerst is er nu een realistische waarde vastgesteld voor de massa van een neutrino. Niet in een deeltjesdetector maar door astronomische waarnemingen door de Planck radioastronomische satelliet.

Erg populair zijn ze niet onder natuurkundigen – de spookachtige neutrinos, die alleen door hun zwakke wisselwerking en zwaartekracht zijn te meten. Zelfs lichtjaren dik lood – ter vergelijking: de doorsnede van de aarde is plm 0,1 lichtseconde – kan neutrino’s slechts voor enkele tientallen procenten opvangen. Tot overmaat van ramp kunnen neutrino’s oscilleren tussen drie vormen – elektron-neutrino, muon-neutrino en tauon-neutrino, die zich verschillend gedragen bij zwakke-kernkracht interacties. Een detector die elektronneutrino’s kan detecteren, is dus waardeloos voor het detecteren van neutrino’s in de muon- of tauon-staat. Wel bewijzen deze oscillaties dat neutrino’s massa hebben en komen er steeds meer aanwijzingen dat neutrino’s een veel belangrijker rol in de evolutie van de kosmos spelen dan tot nu toe gedacht.

Het raadsel van de ontbrekende superclusters
Ongeveer 100.000 jaar na de Big Bang was de temperatuur zo sterk gedaald dat materie en antimaterie elkaar vernietigden en de materiedeeltjes die we nu kennen overbleven. Bij deze vernietiging kwam een zee van zeer energierijke, dus kortgolvige, fotonen vrij, die we nu waar kunnen nemen als (door de uitrekking van het heelal langgolvig geworden) radiostraling: de kosmische achtergrondstraling.

Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino’s zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA

We kennen de sterkte en samenstelling van de kosmische achtergrondstraling precies. Hieruit kunnen we afleiden hoeveel massa het heelal moet hebben: immers: elk foton is ontstaan uit een materie- en antimateriedeeltje die elkaar vernietigden en we kennen vrij precies de mate waarin dat is gebeurd. Nu is er een probleem. Er moet, volgens de bekende hoeveelheid fotonen in de achtergrondstraling, veel meer massa zijn dan uit de aanwezige hoeveelheid galactische superclusters, de grootste structuren in het heelal, blijkt. Die massa moet zich ergens anders in schuilhouden.

Neutrino’s als de daders
Een duidelijke kandidaat zijn uiteraard neutrino’s. We weten nu, sinds 2013, dat ze massa hebben. Zouden neutrino’s, die zoals bekend overal ongehinderd doorheen vliegen, met hun nietige massa de vorming van superclusters gehinderd hebben?

Dr Adam Moss van de faculteit natuurkunde en astronomie van de universiteit van Nottingham en zijn collega Richard Batteye van de universiteit van Manchester, Engeland, denken van wel. Volgens hen ligt de massa van de elektron- muon- en tauon- staat van het neutrino bij elkaar opgeteld rond de 0,320 +/- 0,081  elektronvolt. Ter vergelijking: een elektron, tot nu toe het lichtst bekende deeltje met massa, is 510 999 eV, meer dan 1,5 miljoen maal zoveel dus. Alleen deze massa maakt neutrino’s zwaar genoeg om de clustervorming te verstoren en te verklaren waarom het heelal er zo uitziet als het nu doet.

Sterile neutrinos
Een tweede optie is dat er ook zogeheten steriele neutrino’s bestaan. Dit is een type neutrino, dat ook niet gevoelig is voor de zwakke kernkracht en dus alleen door onverklaarbaar massaverlies, of zwaartekrachteffecten aangetoond kan worden. In dit laatste geval zijn, aldus de berekeningen van het tweetal, neutrino’s zelfs zwaarder: ∑mν=0.06  eV, effectieve steriele neutrinomassa =(0.450±0.124)  eV and ΔNeff=0.45±0.23.

Source

Richard A. Battye, Adam Moss, Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations.”  Phys. Rev. Lett. 112, 051303 (2014)

Eerste boodschap ooit verstuurd met neutrino’s

Neutrino’s zijn in staat door een lichtjaar dik lood heen te reizen, waarna meer dan de helft van de bundel nog over is. Ideaal voor communicatie in moeilijke omstandigheden, zoals met onderzeeërs onder kilometers diep oceaanwater. De eerste neutrino-boodschap ooit is nu verstuurd. Akelig langzaam, dat wel…

Neutrino’s: ongrijpbaar
Neutrinos zijn spookachtige deeltjes die vlak voor de Tweede Wereldoorlog werden voorspeld en enkele jaren daarna werden aangetoond. Neutrino’s zijn alleen gevoelig voor de zwakke kernkracht, die radioactief verval veroorzaakt. Dit maakt dat neutrino’s met ongeveer de lichtsnelheid vrijwel ongehinderd door alles heenrazen: mensen, aardlagen, ja zelfs de complete aarde. Toen de supernova SN1987A explodeerde, was het eerste op aarde wat we daarvan merkten, een werkelijk razende activiteitspuls van neutrinodetectoren overal ter wereld. Pas enkele uren later bleek de oorzaak: een sterontploffing in de Magalhaese Wolken. Ongehinderd door gas en stof waren de neutrino’s de fotonen een paar uur voorgeweest.

 

De opstelling waarmee de eerste neutrinoboodschap ooit werd verstuurd. bron: Fermilab

 

Boodschappen sturen met neutrino’s
Ideaal natuurlijk voor een gegarandeerde storingsvrije zender. Met een neutrinozender zou je zonder problemen zelfs dwars door de kern van Jupiter heen kunnen zenden, laat staan een paar kilometer oceaanwater. Zoals bekend zwerven er diep onder het drijvende plasticafval de nodige tot de tanden gewapende atoomonderzeeërs rond, geladen met intercontinentale kernraketten waarmee ze, als een vijand van bijvoorbeeld de Verenigde Staten of Rusland het land weg heeft gevaagd met een zwerm van waterstofbommen, alsnog terug kunnen meppen.  Dat zal ze leren! Vooral de nuclear winter zal gegarandeerd een onvergetelijke indruk maken. Deze zogeheten mutually assured destruction (MAD) is de kern van de nucleaire afschrikking.

Daarvoor is het natuurlijk handig als je door kan geven wie de boosdoener was, zodat je bijvoorbeeld als Rus niet de Chinezen de volle laag geeft terwijl niet zijm, maar de Amerikanen jouw mooie land in puin hebben geschoten. Geen wonder dat defensie-technici allerlei methoden hebben verzonnen om het blijde nieuws aan hun collega’s onder water door te  geven. Zo zijn er radiozenders die radiogolven met een lengte van enkele kilometers uitzenden. Deze worden niet geabsorbeerd door het oceaanwater.

Boodschap met neutrino’s
Nu voor het eerst is het gelukt om een boodschap te sturen met neutrino’s. Daarvoor gebruikten technici van Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois een bundel zeer snelle protonen die op een doelwit, bestaande uit koolstof, werden afgevuurd.  Daarbij komen instabiele geladen deeltjes, zoals kaonen en pionen vrij. Geladen deeltjes kunnen (in tegenstelling tot ongeladen neutrino’s) met magneten worden gericht, zodat ze als ze uiteenvallen een neutrinobundel recht in de gewenste bewegingsrichting opleveren. Deze neutrino’s en hun voorgangers legden in totaal een afstand van meer dan een kilometer af, waaronder 200 m door massieve rots. Deze proef werd uitgevoerd met de neutrinodetector Minerva.

Bitrate van 0,1 bit per seconde
De technici hanteerden een vereenvoudigde ASCII-code met twee bits per teken minder, die vervolgens werd bewerkt om zo de kans op fouten te verkleinen. De techniek lijkt op die NASA voor interplanetaire communicatie gebruikt. Hiermee verstuurden ze het woord ‘neutrino’. Het kostte omgeveer 140 minuten om deze boodschap te sturen, wat neerkomt op een bitrate van 0,1 byte per seconde. Erg langzaam, zelfs een telegrafist uit de negentiende eeuw deed het honderd keer sneller, maar dit was alleen nog een proof of concept. Omdat neutrino’s nauwelijks reageren met materie, werd er van elke puls, bestaande uit tien biljoen (1013) neutrino’s, gemiddeld slechts 0,8 neutrino waargenomen waardoor de enorme redundantie in de boodschap bepaald geen overbodige luxe is.

Communiceren door tientallen kilometers ijs
De onderzoekers denken daarom dat er veel leukere resultaten zijn te boeken met enorme neutrinodetectoren als de IceCUBE van een kubieke kilometer op Antarctica. Gelukkig nog compleet onpraktisch voor kernonderzeeërs (al zullen gerichtere, energierijke bundels dat veranderen), maar voor communicatie met een ruimtekolonie diep in de magnetosfeer van het Jupiterstelsel, of onder de tientallen kilometers dikke ijslaag op Europa heel interessant.

De onderzoekers denken ook aan interstellaire communicatie met neutrino’s, al zijn daar uiteraard gigantische vermogens voor nodig. Ook over lichtjaren afstand is de informatie met een zeer gevoelige neutrinodetector nog onverminkt leesbaar. Dat is met lasersignalen problematischer. En wie weet ontdekken we een methode om een veel groter percentage van de neutrino’s die door materie heenvliegen te onderscheppen. Zouden we dan ooit met neutrino’s kunnen bellen? Of neutrinoboodschappen van buitenaardse beschavingen kunnen ontvangen?

Source
FermiLab cooperation, Demonstration of communication using neutrino’s, ArXiv (2012)

Last missing neutrino mix constant now known

Neutrino’s blijken veel sneller van de ene soort in de andere te kunnen veranderen dan tot nu toe verwacht. Dit betekent dat natuurkundigen nu een extra breekijzer in handen hebben om enkele hardnekkige kosmische raadsels op te lossen. Waarom er materie in het heelal is in plaats van alleen maar straling, bijvoorbeeld.

Neutrino's zijn niet alleen nauwelijks waar te nemen, ze veranderen ook voortdurend in andere varianten.

Eindelijk ontbrekende mengvariabele Θ13 known
Neutrino’s en antineutrino’s (als antineutrino’s bestaan, althans) komen elk in drie zogeheten smaken voor: elektron, muon en tauon-neutrino. Als deze deeltjes door het heelal vliegen, veranderen ze periodiek van de ene soort in de andere.

Deze veranderingen worden door drie parameters bepaald (‘mixing angles’): Θ12, Θ23 en Θ13. Tot voor kort waren alleen twee van de drie mixing angles gemeten: Θ12 en Θ23. Toen, in juni 2011, ontdekte het T2K experiment in Japan muon-neutrino’s die veranderen in elektron-neutrino’s, waardoor enkele voorlopige schattingen voor Θ13 beschikbaar kwamen. Echter: hierbij moest ook rekening worden gehouden met de andere ‘mixing angles’, waardoor er geen zuivere meting van Θ13 kon worden uitgevoerd. Nu hebben onderzoekers van het Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, in Zuid-China, wel een directe meting gedaan.

In het Daya Bay experiment produceren zes kernreactoren electron antineutrino’s. Twee groepen detectoren worden gebruikt: één groep enkele honderden meters van de reactoren, de tweede groep op 2 km afstand. De verder weg gelegen detectoren zien minder elektron antineutrino’s dan de dichterbij gelegen detectoren, omdat ze tijdens de reis voor een deel veranderen in andere neutrino-smaken die niet door de detectoren kunnen worden waargenomen. Het verschil tussen deze twee metingen hangt vooral af van de tot nu toe ongrijpbare Θ13.

Ontbrekende mengvariabele blijkt veel groter dan gedacht
Eindelijk is deze nu redelijk nauwkeurig bekend, met verrassende uitkomsten. Θ13 blijkt namelijk veel groter te zijn dan de neutrinojagers hadden verwacht. Grote opwinding in het neutrinowereldje. Want dankzij de grote Θ13 kan nu experimenteel de vraag worden beantwoord of neutrino’s en antineutrino’s zich verschillend gedragen. Zo niet, dan is het neutrino net als het foton zijn eigen antideeltje. In vaktaal: een Majorana-deeltje. We weten dat het heelal in zijn begindagen werkelijk vergeven was van neutrino’s (en nog steeds is).

Nu kunnen eindelijk vragen beantwoord worden als: waarom is er meer materie dan antimaterie in het heelal. Neutrino’s zouden hierin wel eens een sleutelrol hebben gespeeld. Op dit moment worden over al ter wereld daarom nieuwe experimenten bedacht om nog meer geheimen aan dit raadselachtige deeltje te ontfutselen. Deze ontdekking wordt in het neutrinowereldje dan ook met gejuich begroet.

Source:
Jun Cao et al., Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay, ArXiv.org (2012)

Steeds meer aanwijzingen voor bestaan steriele neutrino’s

Steriele neutrino’s, zo ver van onze dagelijkse werkelijkheid verwijderd dat ze naar andere dimensies kunnen ontsnappen, lijken nu eindelijk bewijzen op te leveren. Als hun bestaan wordt bevestigd, kunnen ze donkere materie verklaren en kunnen ze wijzen op het bestaan van andere exotische deeltjes die niet in het standaardmodel van de natuurkunde passen.

Artist impression van een oscillerend neutrino. Bron: Los Alamos National Laboratory

Bestaan er deeltjes buiten het Standaardmodel?
Het Standaardmodel beschrijft de huidige theoretische stand van zaken in de deeltjesfysica en verklaart alle natuurkunde met uitzondering van de zwaartekracht, die het domein van de algemene relativiteitstheorie is. Het Standaardmodel beschrijft de andere drie krachten: de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht met drie (nu: twee) kwantumtheorieën. Tot nu toe is er nog geen overweldigend bewijs voor een deeltje dat niet deelneemt aan de interacties van het Standaardmodel. Wat ook logisch is, een dergelijk deeltje is immers niet waar te nemen, anders dan door de relatief zeer zwakke zwaartekracht.

Sterile neutrinos
Steriele neutrino’s zouden ongevoelig zijn voor de drie krachten van het Standaardmodel en alleen reageren  op zwaartekracht, de enige bekende kracht die buiten het Standaardmodel ligt. Als iemand er in slaagt een dergelijk deeltje te vinden, opent hij of zij een nieuw natuurkundig rijk waarin een geheel nieuwe verzameling deeltjes op de loer ligt, bijvoorbeeld het (overigens erg gekunstelde) graviton, waarvan snaartheorie-adepten geloven dat dit de zwaartekracht overbrengt. Volgens o.a. de snaartheorie bestaan er extra dimensies en kunnen steriele neutrino’s via deze extra dimensies naar een ander heelal reizen.

Waarom geloven natuurkundigen dat steriele neutrino’s kunnen bestaan?
Om drie redenen nemen fysici het bestaan van steriele neutrino’s in overweging. Ten eerste kunnen ze dienen als een tegenspeler voor ‘normale’ neutrino’s. Alle drie bekende neutrinosoorten draaien namelijk linksom. Heel merkwaardig, want alle andere bekende deeltjes kunnen linksom of rechtsom draaien. NB: kwantumspin wijkt af van wat we in het dagelijkse leven onder draaiing verstaan – zo lijkt het deeltje van welke kant je ook meet, dezelfde richting op te draaien. Steriele neutrino’s draaien rechtsom en zorgen zo voor behoud van spin – een belangrijke kwantumregel.
Het feit dat steriele neutrino’s, net als donkere materie, alleen op zwaartekracht reageren maakt ze een ideale kandidaat om donkere materie te verklaren.

Maar hoe neem je een deeltje waar dat alleen door de zwaartekracht met de rest van het universum kan reageren? De voornaamste aanwijzingen zijn te vinden in het gedrag van neutrino’s. Hun onverwachte veranderingen van de ene soort in de andere soort (er zijn elektron- muon- en tauon-neutrino’s) doen vermoeden, denken sommige fysici, dat  ze onderweg tijdelijk in steriele neutrino’s veranderen. Steeds leken bewijzen op te doemen, die vervolgens weer in rook opgingen – zie deze tijdlijn. Het goede nieuws is dat er nu eindelijk harde aanwijzingen beginnen te komen voor het steriele neutrino en wel uit drie verschillende vakgebieden. Alle drie ontwikkelingen, die alle te maken hebben met het waarnemen van kosmische neutrino’s –  lijken in één richting te wijzen: steriele neutrino’s.

Drie aanwijzingen voor het bestaan van steriele neutrino’s: uitsmeren van materie…
Volgens de eerste lijn zorgden steriele neutrino’s voor het uitsmeren van klompen materie in het vroege heelal. Deze klompen ontstonden als kwantumfluctuaties, die onder invloed van de zwaartekracht aaneensinterden tot clusters melkwegstelsels. Het oudste licht ooit waargenomen, met de NASA-satelliet Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, dateert van 380 000 jaar na de Big Bang en wijst erop dat het heelal veel minder klonterig was dan voorspeld op basis van het bestaan van slechts drie neutrinosoorten. Deze waarneming is nu bevestigd door twee telescopen op aarde. Eén verklaring hiervoor is dat er meer dan drie soorten neutrino’s bestaan. Ook standaard neutrino’s reageren nauwelijk met materie – een half lichtjaar dik loden scherm houdt de helft tegen. Hoe meer ‘vrijheidsgraden’ er zijn voor neutrino’s om te ontstaan, omdat er meer dan drie soorten bestaan, hoe meer er gaan ontstaan. Elementaire thermodynamica. Helaas zijn deze metingen nog niet statistisch betrouwbaar genoeg, dus het wachten is op de ESA-ruimtetelescoop Planck, die in 2013 de waarnemingsserie af heeft gerond.

Te kleine drukgolf…
Ook de afstanden tussen melkwegstelsels kunnen de werking van steriele neutrino’s verraden. Toen het heelal nog zeer jong was, was het te heet voor atomen om zich te vormen en was het ondoorzichtig voor elektromagnetische straling. Rondzwervende elektronen en protonen maakten korte metten met fotonen. Hierdoor zorgden vanaf de klompen naar buiten  reizende fotonen voor drukgolven. Deze drukgolven konden alleen verder reizen zolang licht en andere elektromagnetische straling nog gehinderd werd door de losse elektronen en protonen. Zodra het heelal koel genoeg was voor het ontstaan van atomen, werd het doorzichtig, zoals nu. Het gevolg: de fotonen drukten niet meer tegen de drukgolf en deze “bevroor”. Op de plek van de drukgolf, op ongeveer 500 000 lichtjaar afstand van de klomp, vormden zich melkwegstelsels. Nieuw bewijs van de Sloan Digital Sky Survey suggereert echter dat sterrenstelsels 480 000 lichtjaar van de klomp clusteren(arxiv.org/abs/1202.0092). De auteurs, Mehta et al, zeggen dat het gemeten verschil verklaard kan worden door steriele neutrino’s. Hierdoor zette het heelal sneller uit, waardoor het sneller afkoelde en de drukgolf eerder bevroor.

En ontbrekende neutrino’s
Tot slot heeft de IceCube neutrinodetector in Antarctica, die een kubieke kilometer landijs gebruikt voor neutrinometingen,  een abnormaal laag aantal muon-neutrino’s gemeten. Muon-neutrino’s worden gevormd als kosmische deeltjes in de atmosfeer inslaan. Ook dit is een aanwijzing: de missende neutrino’s zijn mogelijk steriele neutrino’s. (Physical Review D, 10.1103/physrevd.85.011302). Hoewel geen van deze drie aanwijzingen spijkerhard is, denken een aantal natuurkundigen toch dat ze het steriele neutrino op de hielen zitten.

Verklaart steriele neutrino de sneller-dan-licht neutrino’s?
Hoewel er nu de nodige twijfels gerezen zijn over de sneller-dan-licht waarneming van neutrino’s onder de berg Gran Sasso, zou als deze waarneming alsnog klopt, dit een nieuwe aanwijzing kunnen opleveren. Volgens de theorie van snaarfysicus Tom Weiler van de Amerikaanse Vanderbilt Universiteit, kunnen steriele neutrino’s namelijk sneller dan het licht reizen door af te snijden via een andere dimensie. Dit zou de vroege aankomst verklaren. Er is alleen een probleempje met deze theorie. Alle neutrino’s kwamen vroeger aan, bleek uit een vervolgexperiment. Alle neutrino’s zouden dan onderweg in steriele neutrino’s moeten zijn veranderd. Dit is veel lastiger te bereiken, aldus Weiler. Voor beroepsgoochelaars zoals snaartheoretici is het echter ongetwijfeld een eitje hier een mooie theorie van te bakken.

Source:
New Scientist (2012)

Met neutrino’s op olieveldenjacht

Geofysici willen neutrino’s gebruiken om een “röntgenfoto” van de aarde te maken. In theorie zou je op deze manier nog niet ontdekte olievelden kunnen vinden. Is dit voorstel uitvoerbaar?

Wat zijn neutrino-oscillaties?
Neutrino’s zijn de lastigst waarneembare bekende deeltjes. Ze bewegen met vrijwel, zo niet precies de lichtsnelheid, reageren alleen met materie via de zwakke kernkracht en komen voor in drie ‘smaken’: elektron-, muon- en tauon-neutrino.  Onderweg veranderen neutrino’s ook geregeld van smaak: van muon-neutrino naar elektron-neutrino bijvoorbeeld. Dit verklaarde waarom er op aarde minder zonneneutrino’s werden waargenomen dan verwacht: hun smaak bleek veranderd, zo werd ontdekt in 2001.

Natuurkundigen begrijpen neutrino-oscillaties nu iets minder slecht. Zo wordt het effect beïnvloed door de afstand die de neutrino’s af hebben gelegd en door de hoeveelheid materie waar de deeltjes doorheen zijn gereisd.

“Röntgenfoto” van de planeet
Dit laatste inspireerde Carlos Arguelles en zijn collega’s van de pauselijke Katholieke Universiteit in Lima, Peru tot een opmerkelijk idee. Zou je neutrino-oscillaties niet kunnen gebruiken om veranderingen in de dichtheid van de aarde vast te stellen? Een verandering in dichtheid zou betekenen dat ook het percentage neutrino’s dat oscilleert in een andere soort, verandert.

Volgens de onderzoekers zou het mogelijk moeten zijn om holtes gevuld met water van 200 km doorsnede of meer, ijzerrijke mineralen of zelfs gebieden met sterke elektrische ladingen op te sporen. Dit na een experiment van drie maanden.  Erg interessant, omdat volgens seismologen aardbevingen samenhangen met de ophoping van elektrische ladingen in de aardkorst. De meest lucratieve toepassing is echter het vinden van olievelden en gesteenten die waarschijnlijk olie bevatten.  Een kleine proefboring kost al een slordige miljoen, dus de commerciële interesse in deze techniek zal enorm zijn.

Gevraagd: arsenaal atoombommen of vijf Eemscentrales
Er is helaas een probleem. Neutrino’s reageren nauwelijks met andere materie, dus er moeten enorme hoeveelheden neutrino’s worden aangemaakt om enkele waar te kunnen nemen. Met een zwakkere bundel zal je duizenden jaren moeten wachten tot er een zinnig resultaat uit komt. Arguelle en zijn mede-auteurs nemen daarom aan, dat het op een dag mogelijk zal zijn een vijfduizend maal sterkere neutrinobundel te produceren dan op dit moment technisch haalbaar is. Een gevaarlijke aanname. Immers, neutrino’s komen vrij bij kernreacties. Een bekende techniek is protonen met hoge snelheid op een scherm materie af te schieten, waarbij instabiele pionen en kaonen vrijkomen. Door deze geladen deeltjes te richten,  kan een neutrinobundel worden geproduceerd: als deze deeltjes uiteenvallen vliegen de neutrino’s in de bewegingsrichting.

Om dit te laten werken zou de protonenbundel vijfduizend maal sterker moeten worden dan de meest intensieve neutrinobron nu bekend. Om een indruk te geven: de sterkste protonenbundels hebben nu een intensiteit van 1-4 MW (uiteraard is een veelvoud aan vermogen nodig om dit te bereiken). In een uur gaat deze bundel er meer energie doorheen dan een Nederlands huishouden in drie maanden verbruikt. Dat maal vijfduizend, gedurende anderhalf jaar. Dat komt neer op rond de vijf Eemscentrales vol in bedrijf, let wel, voor één meting.
Een ander alternatief is natuurlijk een serie atoombommen te laten ontploffen, een voorstel dat in de vijftiger jaren serieus is overwogen, maar gelukkig toch maar niet uit is gevoerd. Kortom: olie is vast erg nuttig spul, waard om complete landen voor naar de steentijd te bombarderen, maar misschien is het toch slimmer om een alternatief te vinden.

Source:
Carlos Arguelles et al., Searching For Cavities Of Various Densities In The Earth’s Crust With A Low-Energy ν¯e β-Beam, ArXiv (2012)
How Neutrino Beams could reveal cvavities inside earth, Arxiv Blog (Technology Review) (2012)

OPERA reconfirms faster-than-light neutrinos, made the same mistake

New tests from the OPERA research group in Italy, this time conducted with even higher precision, confirm that OPERA has detected neutrinos traveling faster than light. However, not all members of the group agree and some declined to put their name under the article. With reason.

Statistical uncertainty created doubt
OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus) measures the properties of neutrinos traveling through Earth from the CERN lab in Geneva to the neutrino observatory under the Gran Sasso granite mountain, not far from Rome. September 22, 2011, the group published a report on ArXiv, which showed that the neutrinos arrived in Gran Sasso about 60 nanoseconds earlier than the speed of light allows. The researchers achieved this result by comparing the time distribution of protons fired in the 10.5 microsecond pulses that produce the neutrinos with the times when neutrinos were measured in the detector. Statistics are based on probability and probability distribution and are therefore imprecise by definition. In comparison, the pulse lasted hundreds of times as long as the measured difference from the speed of light. Also keep in mind that only a few neutrinos are observed. This was therefore an important point of criticism.

Part of the OPERA detector. Source: OPERA

New tests eliminated statistical uncertainty
The new tests, completed around November 6, 2011, did away with statistics by making the pulses last only 1 to 2 nanoseconds, which is 10,000 times shorter. Every neutrino observed in Gran Sasso could be nailed precisely to a specific pulse. The scientists now again determined that the neutrinos arrived 60 nanoseconds earlier with a margin of uncertainty of 10 nanoseconds - comparable to the first measurement results. The tests were conducted for ten days. Twenty 'events' were produced during this process (presumably this means: successful neutrino detections). The research group also reviewed their original statistical analysis.

No unanimous agreement
This is the first exception to Einstein's rule that nothing travels faster than light. No wonder many physicists are extremely skeptical of these results and are only convinced by new experiments in a different setting. Therefore, fifteen of the 195 members of the research group refused to sign the article. Four previous dissidents now signed up; four new dissidents have also joined.

A major criticism among the dissidents is that the time window in which neutrinos were detected by OPERA in these new tests had a width of fifty nanoseconds. This does not influence the final result, but according to dissidents it is a sign that the experiment was carried out sloppily.

'Autiero checked itself '
Other researchers are also very unhappy that only a small portion of the analysis, conducted by Dario Autiero, leader of the faster-than-light analysis, has been independently verified by others in the collaboration. This leaves open the possibility that all possible errors have not been taken into account, or (not in so many words), that Autiero will blow the matter. Only when the results of other neutrino experiments are in will there be an answer to the question of whether faster-than-light neutrinos exist. Working under high voltage for months is now taking its toll on the exhausted OPERA research group. The fact that there is still no certainty for everyone creates the necessary frustration.

I personally think the dissidents are right. Only when the entire, but also the entire dataset plus all calculations have been independently verified by others, can we be sure that this group did not make a mistake. Another notorious objection, that the exact distance from the Gran Sasso observatory to Geneva is not known to the meter, is now traced by checking the length of a fiber optic cable that sends the Gran Sasso data to the surface. This also applies to the most devastating objection, by Groningen physicist Ronald van Elburg, that the researchers did not take into account the relativistic effects of the movement of the GPS satellite used to synchronize the atomic clocks of CERN and Gran Sasso. So we have to wait for the results of other research groups.

UPDATE: according to a new statement a measurement error on a cable would be the cause. This is indeed the most logical explanation, but for definitive confirmation we will have to wait for the experiments in May 2012. Only then will CERN be able to fire a new beam of neutrinos towards Gran Sasso. Until then it will remain exciting.

UPDATE 2: A control experiment, ICARUS, by the same lab shows that the neutrinos don't go faster than light anyway. This indicates that a measurement error indeed appears to have been made at the lab under the Gran Sasso and that - unfortunately - no violation of the inexorable limit of the speed of light has still been found. At the same time, this episode was a very educational instruction on how science works. Science is a process of trial and error with often unexpected experiments. This is what makes science so fascinating.

In continuation to:
Do some neutrinos move faster than light?

Sources
More data shows neutrino's still faster than light - New Scientist (2011)
Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains, Science Magazine (2011)
Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, ArXiv (2011)

'Neutrinos faster than light because of jump through another dimension'

Terwijl experimenteel fysici op enkele plaatsen in de wereld koortsachtig proberen de sneller-dan-licht meting van neutrino’s te herhalen – wat vereist is om het experiment te erkennen als valide – zijn theoretici druk bezig om dit voor de meesten totaal onverwachte resultaat te verklaren. Een meer buitenissige theorie: de neutrino’s reisden sneller dan het licht omdat ze afsneden door een andere dimensie.

De regel in de speciale en algemene relativiteitstheorie, dat niets sneller beweegt dan de lichtsnelheid, c, is onverbiddelijk. Tot voor kort is er geen enkel verschijnsel waargenomen dat zich sneller voortplant dan het licht. Weliswaar is een sneller-dan-licht golf na te bootsen, maar dit gebeurt dan door elektrische schakelaars sneller dan het licht tussen de schakelaars kan reizen, af te vuren. Er is dan geen causale verbinding tussen deze schakelaars: die zijn domweg zo ingesteld dat ze sneller dan het licht achter elkaar vuren.

Wat gebeurt er als iets sneller dan het licht gaat?
Zodra iets werkelijk sneller dan het licht beweegt, gebeuren er heel enge dingen met de Lorentz-vergelijking die de tijddilatatie (tijdvertraging) beschrijft. Voor een fysicus althans. In de Lorentz-transformatie, die de tijdvertraging beschrijft, zie hieronder, staat er in de noemer een wortel:

Let op wat onder dat wortelteken staat (1-v2/ c2). Als de snelheid (v) groter wordt dan de lichtsnelheid (c), wordt v2/ c2 groter dan 1, dus 1-v2/ c2 wordt kleiner dan nul. Met andere woorden: er komt onder de wortel een negatief getal te staan. Dit mag niet volgens de wiskundeleraar van de middelbare school, maar lees even verder. Nu wordt het pas echt interessant.

De wortel uit een negatief getal is imaginair: het imaginaire basisgetal i is gedefinieerd als de wortel van -1. Iets dat sneller beweegt dan het licht, gesteld dat het kan, krijgt dus een imaginaire tijdlijn (en een imaginaire lengte). De reactie van de meeste fysici hierop is: dit kan niet, dit betekent niets. Een weinig visionaire opvatting. We weten immers uit andere terreinen in de natuurkunde dat imaginaire getallen hierin wel degelijk een zeer belangrijke rol spelen en ook fysisch relevante verschijnselen beschrijven. Denk bijvoorbeeld aan de (kwantum) Schrödingervergelijking, het fundament van bijna de hele natuurkunde, waar ook die ‘vermaledijde’  i in voorkomt:

Kortom: waarschijnlijk missen we veel interessante verschijnselen door dit soort fantasieloosheid. Wie weet zijn er “onverklaarbare” verschijnselen die verklaard kunnen worden door aan te nemen dat een deeltje sneller dan het licht bewoog. Kortom: denk imaginair.

Een wormtunnel ziet er ongeveer zo uit. Zou dit de verklaring zijn voor de snelle neutrino's?

‘Neutrino’s bewegen exact met de lichtsnelheid‘
Het raadsel wordt nog groter door waarnemingen aan een hypernova in de Grote Magelhaense Wolk, SN 1987-a. Drie uur voor de eerste tekens van deze supernova op 168.000 lichtjaar afstand zichtbaar werden, begonnen neutrino-detectoren over de hele wereld als razenden signalen door te geven. Inderdaad wordt volgens de gangbare modellen voor sterevolutie bij een hypernova een belangrijk deel van de massa van de ster omgezet in een stortvloed van neutrino’s.  Neutrino’s razen overal doorheen zonder gehinderd te worden, in tegensteling tot lichtdeeltjes. Dit gedrag was dan ook keurig volgens de standaard astrofysische modellen. De snelheid van neutrino’s, zo werd hiermee aangetoond, is vrijwel exact gelijk aan de lichtsnelheid. Was hun snelheid inderdaad een veertigduizendste hoger dan de lichtsnelheid geweest, zoals in het CERN experiment, dan waren de neutrino’s vijf jaar eerder al aangekomen en waargenomen.

Fout in de afstandsmeting?
Volgens veel theoretici is dit het bewijs dat er iets aan het experiment niet klopt. Misschien dat het Italiaanse lab dichter bij het CERN ligt dan eerder aangenomen. Om het verschil van een veertigduizendste te verklaren, zou Gran Sasso dan hemelsbreed 18 m dichter bij Zwitserland moeten liggen dan tot nu toe aangenomen. De afstand is, volgens CERN en OPERA onderzoekers althans, echter tot op twintig centimeter nauwkeurig bekend. We kunnen er van uitgaan dat ook deze mogelijkheid de komende weken grondig nagelopen zal worden.

Reizen neutrino’s door andere dimensies?
Uiteraard doen ook aanhangers van de snaartheorie een duit in het zakje. Zo ziet zij hierin een bewijs dat de neutrino’s door een andere dimensie heen reizen, waardoor ze als het ware ‘afsnijden’. Dit zou een spectaculaire ontdekking zijn. Als we dit effect kunnen manipuleren, zouden we sneller dan het licht kunnen reizen of communiceren, of misschien zelfs naar een ander heelal reizen. N-branen, stukken ruimte met één of meer dimensies, maken een belangrijk deel uit van snaartheorie. Volgens de theoretici zou in een sterk vervormd braan de speciale relativiteitstheorie niet meer opgaan en zullen er afwijkingen ontstaan.

Source:
onder meer New Scientist

Do some neutrinos move faster than light?

CERN measurements seem to indicate that a beam of neutrinos moves about a 40,000th part faster than light. Is this measurement correct? And suppose this measurement is correct, what are the consequences for the physics (and therefore the world) that we know?

Strongly exaggerated drawing of the test setup. The neutrino beam hurtles through more than 700 km of massive rock towards Gran Sasso.

What are Neutrinos?
Neutrinos are ghostly particles that have been known for eighty years, but still cause particle physicists to despair. No wonder. They are very difficult to observe because they hardly react with other matter. They can only influence other matter through the 'weak' interaction (we perceive it mainly as radioactivity). This is also how neutrino detectors function. They determine whether spontaneous nuclear reactions of a particular type associated with the neutrino in question occur.

Are the observations correct?
The researchers at CERN, arguably the largest physics lab in the world, and their colleagues at the neutrino lab LNGS, more than 1,300 meters below the granite mountain of Gran Sasso, 120 km from Rome, did not happen overnight. For more than a year, they have gone to great lengths to check the unexpected results of their experiment time after time. No wonder. LNGS has already released controversial news, the possible discovery of dark matter, thus comes under heavy fire from peers from other parts of the world who are eager to demonstrate systematic errors. This other discovery, made in another Gran Sasso experiment (DAMA / LIBRA), has been confirmed by the American neutrino detector CoGENT in the Soudan salt mine in Minnesota. In short: the observations are probably correct. If there is already an error, it will be unexpected or have a subtle character.

OPERA
The observations were made in the detector OPERA, a 1,300-ton collection of around 150,000 'bricks' consisting of layers of lead, interspersed with a photographic emulsion, which are regularly checked for particle traces. There is also photon detection equipment in OPERA. OPERA is specially configured to detect tau neutrinos. These are neutrinos that are released when a tauon is released or disintegrated during a nuclear reaction. The tauon is a very heavy and very unstable 'cousin' of the electron that is only produced in extremely rare nuclear reactions. Tau neutrinos are therefore much rarer than electron or muon neutrinos. (The muon is a less unstable and less heavy particle than the tauon and thus occupies a kind of intermediate position.) Neutrinos, however, exhibit a curious property. They 'oscillate' between the electron state, muon state and tauon state. How exactly is still being investigated. This is the reason that the OPERA experiment is running.

Faster than the light
About 16,000 muon neutrinos from CERN were observed over the course of three years. At CERN, protons are fired at a block of graphite at slightly less than the speed of light. The test setup has been chosen in such a way that the collision products, pions and kaons, travel south. When these break up, the desired neutrinos are released. When the neutrinos were produced at CERN, they travel at about the speed of light towards Gran Sasso. Some of these neutrinos end up in the neutrino particle detector under the Gran Sasso. The times in the Gran Sasso lab and CERN are precisely matched by means of atomic clocks, so the elapsed time can be accurately determined to the nearest ten nanoseconds. It was found that the neutrinos arrived sixty nanoseconds earlier than if they had traveled at the speed of light. This is about one forty thousandth times faster than light. This is the first time in the history of physics that anything faster than light has been measured. Unfortunately ArXiv is out at the moment (overload) so I can do it exact article do not download. Judging from indirect information, judgment is difficult, but I am inclined to believe these observations and draw the preliminary conclusion that neutrinos, the “particle that no one has asked for”, might have something to do with the causal tissue. of spacetime itself. In other words: being involved in, among other things, the production of the speed of light as a physical limitation.

Are the observations correct?
According to a Groningen researcher, the researchers at CERN made a crucial mistake. The experiment uses an atomic clock on board a GPS satellite to measure time exactly.
However, according to Ronald van Elburg, they did not take into account the proper motion of the GPS satellite with which the time measurements were synchronized. The satellite is moving from northwest to southeast at an angle of 55 degrees to the equator, roughly the same trajectory that the neutrinos follow. As a result, the distance between the two laboratories seems slightly shorter for the satellite: the well-known Lorentz contraction. This proper motion creates exactly the time difference of sixty nanoseconds that gives scientists headaches, says van Elburg.

His point is compelling. On the other hand, this is very obvious. Wouldn't they have taken this into account? To be continued.

Beyond Einstein: Sun core as a gravity detector

Hoe kunnen we ontdekken of Einsteins zwaartekrachtstheorie ook in zeer zware hemellichamen opgaat? Antwoord: door de zon als natuurlijke zwaartekrachtsdetector te gebruiken, stelt fysicus Castanella voor. Kunnen we zo twee vliegen in één klap slaan?

Algemene relativiteitstheorie niet volmaakt
Einsteins algemene relativiteitstheorie is een van de twee hoekstenen van de moderne natuurkunde. Toch zijn er met algemene relativiteit wat vervelende dingen aan de hand. Zo is het lastig om het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica op te lossen.

De zon, volgens neutrinotelescoop Super-Kamiokande. Duidelijk is te zien dat bijna alle kernfusie in de kern plaatsvindt. Bron: NASA

Er zijn ook enkele minder algemeen bekende problemen. Einsteins vergelijkingen vertellen ons over de zwaartekracht in het luchtledig op enige afstand van een massief hemellichaam. Maar hoe gedraagt zwaartekracht zich in een zeer zwaar object zoals de zon of een neutronenster? In een zwak zwaartekrachtsveld, zoals dat van de aarde, is er weinig aan de hand. De zwaartekrachtsvergelijkingen reduceren tot de klassieke zwaartekrachtstheorie van Newton en die zijn welbekend. Anders wordt het in een  veel sterker veld. Niemand weet precies hoe de vervorming van ruimte-tijd in materie plaatsvindt.

Neutronensterren
Welke invloed de aanwezigheid van materie op een bepaalde plaats precies heeft op een zwaartekrachtsveld op die plaats is een mysterie. Verschillende theoretici hebben aanpassingen aan de zwaartekrachtstheorie voorgesteld die weinig of geen verschil maken voor zwaartekracht in een vacuüm, maar belangrijke implicaties hebben voor zwaartekrachtsvelden in grote, massieve voorwerpen. Dit heeft grote gevolgen voor de manier waarop bijvoorbeeld neutronensterren worden gemodelleerd. Neutronensterren, de bizarre objecten die we kunnen waarnemen als pulsars, hebben de dichtheid van een atoomkern maar de massa van een complete ster, samengeperst in een bol met een doorsnede van iets meer dan tien kilometers. Hun dichtheid is zo extreem groot dat hier afwijkend gedrag van de zwaartekracht in materie een grote rol gaat spelen. De dichtstbijzijnde pulsar staat op honderden lichtjaren afstand, dus er was tot nu toe geen praktische methode om deze metingen uit te voeren.

De zon als gevoelig zwaartekrachtsinstrument
Daar is nu verandering in gekomen. Jordi Casanellas van de Technische Universiteit van Lissabon in Portugal met enkele collega’s hebben ontdekt dat deze kleine veranderingen in de zwaartekrachttheorie invloed hebben op de interne structuur van de zon. En dat laatste heeft weer gevolgen op hoe de zon zich gedraagt, wat we uiteraard kunnen meten.

Op dit moment begrijpen zonnekenners redelijk goed hoe onze ster functioneert. De zon is, zoals alle stabiele sterren, in evenwicht tussen de verpletterende zwaartekracht en de stralingsdruk door de kernfusie van waterstof in helium. In hun modellen wordt een volledig Newtoniaans zwaartekrachtsveld in de zon aangenomen. Elke kleine verandering in de zwaartekrachtstheorie moet volgens de onderzoekers een duidelijk waarneembaar effect hebben. Immers: verandert de sterkte van de zwaartekracht, dan verandert ook de temperatuur van de kern van de zon. Hoe sterker de zwaartekracht, hoe heter de zon moet zijn om voldoende kernfusie op te wekken. En hoe sneller de fusie dus verloopt.

Neutrinotelescoop
Gelukkig is er een manier om rechtstreeks in de kern van de zon te kijken. Er komen bij kernreacties neutrino’s vrij, spookachtige deeltjes die zelfs door een half lichtjaar massief lood kunnen vliegen zonder geabsorbeerd te worden. Een secundaire kernreactie in de zon is de vorming en het weer uiteenvallen van boor-8. Hoe heter de zon, hoe vaker deze kernreactie optreedt en hoe meer neutrino’s voorkomen.

Neutrinotelescopen op aarde (die het meeste weg hebben van een monsterachtig groot vat vloeistof, omringd met deeltjesdetectoren)  hebben nauwkeurig de neutrinoflux van deze reactie  gemeten. Daarom kunnen we sterke beperkingen zetten op de maximale grootte van eventuele afwijkingen van de zwaartekrachtstheorie.

De muziek van de zon
Een andere methode is te letten op de manier waarop de zon trilt. De zon vibreert in allerlei verschillende frequenties, die weer veel informatie opleveren over hoe heet het diep in de zon is en hoe dicht de materie.

Casanellas en zijn collega’s hebben deze bestaande gegevens gebruikt om sterke beperkingen te zetten op de maximale grootte van door koppeling van materie en zwaartekracht veroorzaakte afwijkingen van de zwaartekracht. Helaas zijn de belangrijkste theorieën over gemodificeerde zwaartekracht nog steeds niet uitgesloten door de waarnemingen. Als in de toekomst waarnemingen nauwkeuriger worden, kan dat wel – of ontdekken we totaal nieuwe eigenschappen van de zwaartekracht.

Tijd dus voor een nauwkeuriger zonnesatelliet. Niet alleen kunnen we zo de zon en gevaarlijke zonnestormen beter voorspellen, ook zitten we zo op de eerste rang voor de grootste zwaartekrachtdetector denkbaar. En kunnen we ontdekken of de zwaartekrachtstheorie niet wat aanpassingen nodig heeft.

Source
J. Casanellas et al., Testing Alternative Theories of Gravity Using the Sun, ArXiv (2011)

English