NEUTRINO’SNEUTRINO’S

Sneller dan het licht ? Sneller dan het licht ? Of toch niet?Of toch niet?

C. de JagerC. de Jager

Om bang van te Om bang van te worden?worden?

• Per seconde vliegen ca. 65 miljard neutrino’s Per seconde vliegen ca. 65 miljard neutrino’s door een vierkante cm – ze zijn afkomstig van door een vierkante cm – ze zijn afkomstig van de zon, de oerknal en van andere sterrende zon, de oerknal en van andere sterren

• De vrije weglengteDe vrije weglengte is ongeveer 3 lichtjaren lood is ongeveer 3 lichtjaren lood

• Dit is een laag lood van ca. 25 biljoen km dik Dit is een laag lood van ca. 25 biljoen km dik

• Het begrip ‘Het begrip ‘vrije weglengtevrije weglengte’ betekent dat de ’ betekent dat de kans om die laag lood ongehinderd te kunnen kans om die laag lood ongehinderd te kunnen doorlopen, ca. 50% is. doorlopen, ca. 50% is.

Kleine kernreactorenKleine kernreactoren

• Een gemiddeld mens heeft een oppervlak Een gemiddeld mens heeft een oppervlak van ca. 3500 vierkante cmvan ca. 3500 vierkante cm

• Door ons lichaam vliegen dus ca. 200 biljoen Door ons lichaam vliegen dus ca. 200 biljoen neutrino’s per seconde afkomstig van de zonneutrino’s per seconde afkomstig van de zon

• Per tien dagen wordt er eentje gevangen en Per tien dagen wordt er eentje gevangen en dat leidt tot een kernreactie – we zijn dan dat leidt tot een kernreactie – we zijn dan even een kernreactor!even een kernreactor!

• Wat is een neutrino en hoe is het ontdekt?Wat is een neutrino en hoe is het ontdekt?

Eerst iets over elementaire Eerst iets over elementaire deeltjes deeltjes

• Elementaire deeltjes: de allerkleinste Elementaire deeltjes: de allerkleinste bouwstenen van de natuurbouwstenen van de natuur

• Een neutrino is zo’n elementair deeltjeEen neutrino is zo’n elementair deeltje

• We kennen meer dan een dozijn We kennen meer dan een dozijn elementaire deeltjeselementaire deeltjes

• We geven van enkele daarvan de We geven van enkele daarvan de massa, massa, de de elektrische lading elektrische lading en de en de spin spin (tolsnelheid)(tolsnelheid)

Belangrijkste elementaire Belangrijkste elementaire deeltjesdeeltjes

• ProtonProton: kern van waterstofatoom. Massa 1 (= : kern van waterstofatoom. Massa 1 (= 1,66 101,66 10-24-24 gram); elektrische lading 1; spin ½ (drie gram); elektrische lading 1; spin ½ (drie afgesproken eenheidsmaten) afgesproken eenheidsmaten)

• NeutronNeutron: Massa 1,0014; lading 0; spin ½ : Massa 1,0014; lading 0; spin ½

• ElektronElektron: Massa 0,0005; lading -1; spin ½ : Massa 0,0005; lading -1; spin ½

• Als een proton met een elektron versmelt dan Als een proton met een elektron versmelt dan ontstaat een deeltje met iets grotere massa, ontstaat een deeltje met iets grotere massa, lading nul en spin ½, het neutronlading nul en spin ½, het neutron

• (Maar … klopt dit wel ?? ) (Maar … klopt dit wel ?? )

Behoudswetten bij natuurkundige Behoudswetten bij natuurkundige processen processen

• Behoud van Behoud van energieenergie

• Behoud van Behoud van impulsimpuls (hoeveelheid beweging (hoeveelheid beweging = massa maal snelheid)= massa maal snelheid)

• Behoud van totaal Behoud van totaal draaimoment draaimoment (spin)(spin)

• Deze wetten gelden overal in de natuurDeze wetten gelden overal in de natuur

• Bij botsingen, gevolgd door vernietiging of Bij botsingen, gevolgd door vernietiging of versmelting van deeltjes moeten deze versmelting van deeltjes moeten deze wetten alle strikt gehoorzaamd worden. wetten alle strikt gehoorzaamd worden.

Terug naar proton plus Terug naar proton plus elektronelektron• Als een proton met een elektron Als een proton met een elektron

versmelt dan zou een deeltje ontstaan versmelt dan zou een deeltje ontstaan met massa 1+ 0,0005 = 1,0005 met massa 1+ 0,0005 = 1,0005

• En lading (-1) + (+1) = 0En lading (-1) + (+1) = 0

• En spin ½ + ½ = 1 of ½ A ½ = 0 En spin ½ + ½ = 1 of ½ A ½ = 0

• Maar het neutron heeft 1,0014, 0 en ½Maar het neutron heeft 1,0014, 0 en ½

• Hier klopt iets niet; vooral die spin ! Hier klopt iets niet; vooral die spin !

Hoe kwamen we daar achter?Hoe kwamen we daar achter? Het beslissende experiment Het beslissende experiment• Sommige radioactieve elementen zenden bij Sommige radioactieve elementen zenden bij

hun verval elektronen uit doordat in een hun verval elektronen uit doordat in een atoomkern een neutron overgaat in een atoomkern een neutron overgaat in een proton proton

• Het uitgezonden elektron moet het Het uitgezonden elektron moet het energieverschil meenemen, maar dat blijkt energieverschil meenemen, maar dat blijkt niet exact zo te zijn; dit geldt ook voor de spinniet exact zo te zijn; dit geldt ook voor de spin

• Waar is die energie gebleven? En die spin? Waar is die energie gebleven? En die spin? • 1931: Wolfgang Pauli’s “1931: Wolfgang Pauli’s “desperate remediedesperate remedie”: ”:

een nieuw en onzichtbaar deeltje zonder een nieuw en onzichtbaar deeltje zonder lading en met spin lading en met spin ½ ½ neemt die energie mee. neemt die energie mee. Hij noemde dit neutron Hij noemde dit neutron

1934: heel klein deeltje1934: heel klein deeltje

• 1933 werd het echte neutron ontdekt 1933 werd het echte neutron ontdekt (Chadwick). Bijna dezelfde massa als proton. (Chadwick). Bijna dezelfde massa als proton.

• 1934: Fermi postuleerde dat in het bètaverval 1934: Fermi postuleerde dat in het bètaverval sprake moest zijn van een deeltje met veel sprake moest zijn van een deeltje met veel geringer massa, geen lading en spin geringer massa, geen lading en spin ½½

• Hij noemde dat het kleine neutron - Hij noemde dat het kleine neutron - neutrinoneutrino• Het neutrino zou veel minder massa hebben Het neutrino zou veel minder massa hebben

dan het elektron of zelfs dan het elektron of zelfs helemaal geen helemaal geen massamassa? Dit laatste was een halve eeuw een ? Dit laatste was een halve eeuw een groot probleemgroot probleem

Enorm doordringend vermogen Enorm doordringend vermogen van het van het neutrinoneutrino

• Geen elektrische lading: dus geen Geen elektrische lading: dus geen wisselwerking met andere geladen deeltjes wisselwerking met andere geladen deeltjes zoals de kernen van atomen of hun zoals de kernen van atomen of hun elektronenelektronen

• Geen (?) massa: idemGeen (?) massa: idem

• Een neutrino heeft een ‘vrije weglengte’ Een neutrino heeft een ‘vrije weglengte’ equivalent aan equivalent aan enkele lichtjaren lood! enkele lichtjaren lood!

• Vraag: is het toch wel waarneembaar?? JA!Vraag: is het toch wel waarneembaar?? JA!

• Wel te detecteren, maar met heel veel moeiteWel te detecteren, maar met heel veel moeite

En de massa – hoe zit dat?En de massa – hoe zit dat?

Het anti-elektronHet anti-elektron

• Een proton dat met een elektron Een proton dat met een elektron versmelt gaat over in een neutron en versmelt gaat over in een neutron en een neutrino een neutrino p + e- = n + p + e- = n + vv

• Maar een proton dat spontaan zou Maar een proton dat spontaan zou overgaan in een neutron produceert overgaan in een neutron produceert dan een neutrino en een positief dan een neutrino en een positief geladen elektron, een ‘anti-elektron’geladen elektron, een ‘anti-elektron’

• Het anti-elektron heet Het anti-elektron heet positronpositron

Het anti-neutrinoHet anti-neutrino

• Een proton kan overgaan in neutron Een proton kan overgaan in neutron plusplus positief positief elektron (= positron) elektron (= positron) plusplus neutrino: neutrino:

• p p →→ n + e n + e++ + + νν , dus ook: n + , dus ook: n +ν ν →→ p + e p + e––

• Ook: neutron vervalt in proton Ook: neutron vervalt in proton plusplus (negatief) (negatief) elektron elektron plusplus antineutrino: antineutrino:

• n n →→ p + e p + e–– + + νν’ , ook: p + ’ , ook: p + νν’ ’ →→ n + e n + e++ , enz. , enz.

• Er zijn dus Er zijn dus twee soorten neutrino’s ! Beide twee soorten neutrino’s ! Beide hebbenhebben geen elektrische lading en zeer geringe geen elektrische lading en zeer geringe massa. Men noemt deze twee soorten massa. Men noemt deze twee soorten elektronneutrino’s. elektronneutrino’s. Hoe die te ontdekken? Hoe die te ontdekken?

OntdekkingOntdekking

Experimenteel werd het Experimenteel werd het neutrino ontdekt in 1956neutrino ontdekt in 1956

1956: Reines en Cowan 1956: Reines en Cowan ontdekken ontdekken neutrino bij neutrino bij kernreactor kernreactor

Savanna River kernreactorSavanna River kernreactor

• Metingen in kelder, 11 m van reactor en 12 m Metingen in kelder, 11 m van reactor en 12 m ondergronds; daar verwacht men 10ondergronds; daar verwacht men 101313 antineutrino's per cmantineutrino's per cm22 en seconde en seconde

• Vat met geschikte vloeistof, vnl. water (elk Vat met geschikte vloeistof, vnl. water (elk watermolecuul bevat 10 protonen en 10 watermolecuul bevat 10 protonen en 10 elektronen)elektronen)

• Antineutrino + proton Antineutrino + proton → → neutron + positronneutron + positron • Dit positron annihileert (‘versmelt’) heel snel met Dit positron annihileert (‘versmelt’) heel snel met

een elektron. Geeft een elektron. Geeft gammastraling flitsgammastraling flits die die gemeten werd met fotomultipliersgemeten werd met fotomultipliers

• Deze flitsen zijn de aanwijzing voor het bestaan Deze flitsen zijn de aanwijzing voor het bestaan van het neutrino van het neutrino

Zijstapje: het mu-meson Zijstapje: het mu-meson (muon)(muon)• Het muon is een van de vele elementaire deeltjesHet muon is een van de vele elementaire deeltjes

• Massa is 207 maal die van het elektron Massa is 207 maal die van het elektron

• Spin Spin ½½

• Lading is als van het elektron, dus – 1Lading is als van het elektron, dus – 1

• We noemen dit wel: het zware elektron We noemen dit wel: het zware elektron

• De De leeftijd: 2,19 miljoenste seconde; daarna is het vervallen leeftijd: 2,19 miljoenste seconde; daarna is het vervallen

1962: het mu-neutrino 1962: het mu-neutrino ontdektontdekt• Muonen ontstaan uit kosmische straling door Muonen ontstaan uit kosmische straling door

kernreacties in de hoge atmosfeer (15 – 30 km)kernreacties in de hoge atmosfeer (15 – 30 km)

• [[Vraagje: Vraagje: hoe kunnen ze de grond bereiken gezien hoe kunnen ze de grond bereiken gezien de korte levensduur? de korte levensduur? Antw.: Antw.: ja, want in een zeer ja, want in een zeer snel voortvliegend object treedt tijdvertraging op]snel voortvliegend object treedt tijdvertraging op]

• Dit zware elektron ontstaat bij soortgelijke reacties Dit zware elektron ontstaat bij soortgelijke reacties als het gewone en verschijnt tegelijk met eenals het gewone en verschijnt tegelijk met een

• mu-neutrinomu-neutrino: analoog aan elektron-neutrino : analoog aan elektron-neutrino

• Ook bestaat Ook bestaat anti-muneutrinoanti-muneutrino

Het derde neutrinopaarHet derde neutrinopaar

• Tauneutrino Tauneutrino en en anti-tauneutrinoanti-tauneutrino

• Analoog aan elektron- en mu-neutrino, Analoog aan elektron- en mu-neutrino, maar deze behoren bij het tau-leptonmaar deze behoren bij het tau-lepton

• Tau-lepton: ontdekt 1977; lading en spin als Tau-lepton: ontdekt 1977; lading en spin als elektron; massa 3500 × die van elektron, elektron; massa 3500 × die van elektron, dus bijna 2 maal die van proton of neutron. dus bijna 2 maal die van proton of neutron. Instabiel; leeftijd 3×10Instabiel; leeftijd 3×10-13-13 seconde seconde

• In 2000 werd eerste tau-neutrino In 2000 werd eerste tau-neutrino waargenomen waargenomen

De zonDe zon

Krachtige bron van neutrino’sKrachtige bron van neutrino’s

Neutrino’s ontstaan bij Neutrino’s ontstaan bij kernfusiekernfusie 4 protonen verenigen zich stapsgewijs tot: een 4 protonen verenigen zich stapsgewijs tot: een heliumkern + twee positronen + twee heliumkern + twee positronen + twee elektronneutrino’s en veel straling. De positronen elektronneutrino’s en veel straling. De positronen annihileren – geeft ook wat stralingannihileren – geeft ook wat straling

Enorme neutrinostroom van Enorme neutrinostroom van zonzon

• Per seconde en per cmPer seconde en per cm22 komen op aarde komen op aarde 6,5×106,5×101010 (elektron)-neutrino’s (elektron)-neutrino’s

• Ontdekt met experiment van Davies en Bahcall Ontdekt met experiment van Davies en Bahcall (1967 en daarna); hoe ging dat in zijn werk:(1967 en daarna); hoe ging dat in zijn werk:

• Versmelt in botsing met chloor atoomVersmelt in botsing met chloor atoom

• Daaruit ontstaat radioactief Daaruit ontstaat radioactief 3737Ar Ar

• Het vervalt in 35 dagen; daarbij wordt flitsje Het vervalt in 35 dagen; daarbij wordt flitsje van röntgenstraling uitgezonden. Dit is te van röntgenstraling uitgezonden. Dit is te metenmeten

Bahcall en Davies in 1995Bahcall en Davies in 1995

Metingen in een diepe mijnMetingen in een diepe mijn

• Kosmische straling bestaat uit elektrisch geladen Kosmische straling bestaat uit elektrisch geladen deeltjes afkomstig uit het heelal, die met grote deeltjes afkomstig uit het heelal, die met grote snelheid de aarde bombarderensnelheid de aarde bombarderen

• Ze produceert veel storende straling en deeltjes; Ze produceert veel storende straling en deeltjes; die willen we kwijt want deze deeltjes storen de die willen we kwijt want deze deeltjes storen de metingenmetingen

• Ze dringen niet diep in aarde door Ze dringen niet diep in aarde door

• Om neutrino’s te meten gaan we dus naar de Om neutrino’s te meten gaan we dus naar de (verlaten) Homestake goudmijn, South Dakota (verlaten) Homestake goudmijn, South Dakota

• Dit was de Dit was de eerste ondergrondse telescoop!eerste ondergrondse telescoop!

Experiment in de Homestake Experiment in de Homestake mijn.mijn.378.000 liter perchloorethyleen 378.000 liter perchloorethyleen (C(C22ClCl44))

• Ze maten 15 Ze maten 15 radioactieve argon radioactieve argon atomen per maandatomen per maand

• het gaat dus om het het gaat dus om het meten van 15 meten van 15 minuscule lichtflitsjes minuscule lichtflitsjes per maandper maand

• (Davies boven op (Davies boven op tank)tank)

Probleem opgelost?Probleem opgelost?

Nee, toen begon het pas goed Nee, toen begon het pas goed !!

Onverwacht resultaatOnverwacht resultaat

• De gemeten neutrino flux was slechts 36% De gemeten neutrino flux was slechts 36% van wat we van de zon verwachtenvan wat we van de zon verwachten

• Inwendige structuur van de zon is echter Inwendige structuur van de zon is echter heel goed bekend en zonnestraling is heel goed bekend en zonnestraling is gecorreleerd met te verwachten stroom gecorreleerd met te verwachten stroom neutrino’sneutrino’s

• Ontbrekende neutrino’s: gedurende 40 Ontbrekende neutrino’s: gedurende 40 jaar was dit een hoofdbrekend probleem!jaar was dit een hoofdbrekend probleem!

• WAAR ZIJN DIE NEUTRINO’S GEBLEVEN?WAAR ZIJN DIE NEUTRINO’S GEBLEVEN?• Opnieuw drieste onderstelling:Opnieuw drieste onderstelling: die zijn die zijn

onderweg in iets anders overgegaanonderweg in iets anders overgegaan

Neutrino oscillatiesNeutrino oscillaties

• De vergelijking van Schrödinger bepaalt het De vergelijking van Schrödinger bepaalt het karakter van de golf die bij een deeltje hoortkarakter van de golf die bij een deeltje hoort

• Bij neutrino’s blijkt die golf Bij neutrino’s blijkt die golf tweetwee deeltjes te deeltjes te beschrijven, met verschillende massa’sbeschrijven, met verschillende massa’s

• Tijdelijk overheerst het ene deeltje, dan weer het Tijdelijk overheerst het ene deeltje, dan weer het andereandere

• Als (bijvoorbeeld) een mu-neutrino lang genoeg Als (bijvoorbeeld) een mu-neutrino lang genoeg reist kan hij het karakter van een tau-neutrino reist kan hij het karakter van een tau-neutrino krijgen en dan weer mu-neutrino, enzkrijgen en dan weer mu-neutrino, enz

• We noemen dit We noemen dit neutrino-oscillatiesneutrino-oscillaties• In stappen ontdektIn stappen ontdekt

Russen en Italianen vermoedden Russen en Italianen vermoedden al ietsal iets

• Neutrino detectoren SAGE (Kaukasus, Neutrino detectoren SAGE (Kaukasus, Rusland) en Gallex/GNO (Italië) maten Rusland) en Gallex/GNO (Italië) maten neutrino’s afkomstig van nabije neutrino’s afkomstig van nabije kernreactoren (jaren ’80)kernreactoren (jaren ’80)

• Resultaat: minder elektron-neutrino's Resultaat: minder elektron-neutrino's gemeten dan er zouden moeten zijn. Als gemeten dan er zouden moeten zijn. Als bij de zon! Wel zagen ze onverwachte bij de zon! Wel zagen ze onverwachte mu-neutrino’s. Waarvandaan?mu-neutrino’s. Waarvandaan?

Bevestigd door metingen in Bevestigd door metingen in SuperKamiokande (mijn in Japanse Alpen; SuperKamiokande (mijn in Japanse Alpen; 700 meter diep)700 meter diep)

SuperKamiokande bevat 50 SuperKamiokande bevat 50 miljoen liter zuiver water. miljoen liter zuiver water. Wand met 11146 Wand met 11146 fotomultiplicatorenfotomultiplicatoren

Details wand met Details wand met fotocellenfotocellen

Andere detailopname van Andere detailopname van wandwand

Hoe meten we? neutrinovangst Hoe meten we? neutrinovangst produceert elektron of muonproduceert elektron of muon

• (Immers: n + (Immers: n + νν →→ p + e p + e– – ; idem p + ; idem p + νν …) …)

• Geladen deeltje van grote energie (elektron) Geladen deeltje van grote energie (elektron) loopt bijna met lichtsnelheid door het waterloopt bijna met lichtsnelheid door het water

• Daar is de lichtsnelheid echter slechts ca. Daar is de lichtsnelheid echter slechts ca. 0,75 van die in vacuüm (ca. 220.000 km/s)0,75 van die in vacuüm (ca. 220.000 km/s)

• Het geladen deeltje loopt dus Het geladen deeltje loopt dus sneller dan sneller dan het lichthet licht ter plaatse ter plaatse looptloopt

• Produceert zo Produceert zo ČČerenkov straling; hoe gaat erenkov straling; hoe gaat dat?dat?

Hoe ontstaat Hoe ontstaat ČČerenkov stralingerenkov stralinggolffronten van een bewegende lichtbrongolffronten van een bewegende lichtbron

a: lichtsnelheid, b: sneller dan licht a: lichtsnelheid, b: sneller dan licht

Hoe ontstaat Hoe ontstaat ČČerenkov stralingerenkov stralinger zijn duser zijn dus twee golffrontentwee golffronten

Hoe ontstaat Hoe ontstaat ČČerenkov erenkov stralingstralingde de ČČerenkov cirkelerenkov cirkel

• Fotocellen registeren Fotocellen registeren een kring van lichteen kring van licht

• Vorm van de kring Vorm van de kring bepaalt de looprichtingbepaalt de looprichting

• Verschil in snelheid Verschil in snelheid bepaalt het patroon bepaalt het patroon van straling van van straling van elektronen en aard elektronen en aard van muonenvan muonen

De metingen bevestigen:De metingen bevestigen:

De zon straalt de verwachte De zon straalt de verwachte hoeveelheid neutrino’s uit, hoeveelheid neutrino’s uit,

maar onderweg verandert de maar onderweg verandert de soortsoort

Zon in neutrinostraling Zon in neutrinostraling geziengezien• Ook richting van Ook richting van

herkomst is zo te herkomst is zo te bepalenbepalen

• Afbeelding: zon in Afbeelding: zon in neutrinostraling neutrinostraling (Kamiokande)(Kamiokande)

• Belichtingstijd Belichtingstijd 1500 dagen 1500 dagen

Een ander bewijs van neutrino-Een ander bewijs van neutrino-oscillaties oscillaties

• SuperKamiokande onderzocht 4700 kosmische SuperKamiokande onderzocht 4700 kosmische straling-neutrino’s die uit de atmosfeer kwamen – straling-neutrino’s die uit de atmosfeer kwamen – dus van boven dus van boven

• Het waren mu-neutrino’s (afgelegde weg: ca. 20 Het waren mu-neutrino’s (afgelegde weg: ca. 20 km)km)

• Van onderen, dus door de aarde komend, zien we Van onderen, dus door de aarde komend, zien we echter twee maal minder mu-neutrino’s. echter twee maal minder mu-neutrino’s.

• Gemengd met andere (elektron?)-neutrino’sGemengd met andere (elektron?)-neutrino’s• Dit is gevolg van de langere weg afgelegd (ca. Dit is gevolg van de langere weg afgelegd (ca.

12000 km); bij neutrino-oscillaties gaat de ene 12000 km); bij neutrino-oscillaties gaat de ene soort over in de anderesoort over in de andere

Massa van het neutrinoMassa van het neutrino

• Neutrino Neutrino oscillaties oscillaties zijn zijn alleen mogelijkalleen mogelijk wanneer de twee soorten neutrino’s wanneer de twee soorten neutrino’s verschillende massa’s hebbenverschillende massa’s hebben

• Dus: het neutrino Dus: het neutrino heeftheeft massa! Zo werden massa! Zo werden twee oude problemen tegelijk opgelost: twee oude problemen tegelijk opgelost: dat van de zon en het massaprobleem dat van de zon en het massaprobleem

• Direct resultaat: het verschil tussen de Direct resultaat: het verschil tussen de massa van elektron- en mu-neutrinomassa van elektron- en mu-neutrino

• Neutrinomassa is ongeveer een tien-Neutrinomassa is ongeveer een tien-miljoenste deel van die van het elektronmiljoenste deel van die van het elektron

Recente massawaarden Recente massawaarden Massa wordt in energiemaat (elektronVolt) gegeven - E = mcMassa wordt in energiemaat (elektronVolt) gegeven - E = mc22

• Elektron: 511.000 eV = 9,1Elektron: 511.000 eV = 9,1×10×10-28-28 gram gram

• ………………………………………………………………………………………………………………

• Tau-neutrino: 0,05 eV, dus ca. 10Tau-neutrino: 0,05 eV, dus ca. 10 -34-34 g g

• Mu-neutrino: 0,005 eV, dus 10Mu-neutrino: 0,005 eV, dus 10-35-35 g g

• Elektron neutrino: 0,000 01 eV (?) Elektron neutrino: 0,000 01 eV (?)

• Deze getallen zijn nog wat onzeker! Deze getallen zijn nog wat onzeker!

En nu: neutrino’s die sneller En nu: neutrino’s die sneller lopen dan de lichtsnelheid in lopen dan de lichtsnelheid in

vacuüm vacuüm

Maar dat is toch onmogelijk?Maar dat is toch onmogelijk?(volgens Einstein) (volgens Einstein)

Maar waarom dan wel Maar waarom dan wel onmogelijk? onmogelijk?

• Experimenteel vastgesteld: licht beweegt Experimenteel vastgesteld: licht beweegt in vacuüm altijd met zelfde snelheid (c)in vacuüm altijd met zelfde snelheid (c)

• Dat is Dat is onafhankelijk van de snelheid van onafhankelijk van de snelheid van de bron!de bron! Lichtsnelheid in vacuüm is Lichtsnelheid in vacuüm is invariantinvariant

• Lichtsnelheid c =  299792458 meter/secLichtsnelheid c =  299792458 meter/sec• Hieruit leidt men een formule af voor de Hieruit leidt men een formule af voor de

energie E van een deeltje met rustmassa energie E van een deeltje met rustmassa mm00 en snelheid v en snelheid v

Snelheid, energie en massaSnelheid, energie en massa

• Deeltjes hebben energie nodig om snelheid Deeltjes hebben energie nodig om snelheid van bewegen te krijgenvan bewegen te krijgen

• Hoe dichter bij de lichtsnelheid, des te groter Hoe dichter bij de lichtsnelheid, des te groter de benodigde energie, want de deeltjes de benodigde energie, want de deeltjes worden zwaarder bij toenemende snelheidworden zwaarder bij toenemende snelheid

• Om met lichtsnelheid te kunnen lopen is zelfs Om met lichtsnelheid te kunnen lopen is zelfs oneindig veel energie nodigoneindig veel energie nodig

• Daarom kan niets sneller dan het licht gaanDaarom kan niets sneller dan het licht gaan

Niets gaat sneller dan het Niets gaat sneller dan het licht in vacuümlicht in vacuüm• Des te sneller het deeltje, des te groter de Des te sneller het deeltje, des te groter de

massa wordtmassa wordt

• Als het deeltje sneller dan het licht zou Als het deeltje sneller dan het licht zou gaan dan wordt massa onbestaanbaar gaan dan wordt massa onbestaanbaar (imaginair)(imaginair)

• Kan dat?Kan dat?

• Deeltje met imaginaire massa wordt Deeltje met imaginaire massa wordt tachyon tachyon genoemdgenoemd

• Maar bestaan die wel???ar bestaan die wel???

Van CERN naar Gran SassoVan CERN naar Gran Sasso

• In CERN (Geneve, Zwitserland) werden In CERN (Geneve, Zwitserland) werden neutrino’s weggeschoten in de richting neutrino’s weggeschoten in de richting van de Italiaanse Apenijnenvan de Italiaanse Apenijnen

• Van elke miljard uitgezonden neutrino’s Van elke miljard uitgezonden neutrino’s werd er een opgevangen in een mijn in werd er een opgevangen in een mijn in Gran Sasso (Italiaanse Apennijnen) Gran Sasso (Italiaanse Apennijnen)

• Dit gebeurde in het daar reeds Dit gebeurde in het daar reeds bestaande neutrino observatorium, dat bestaande neutrino observatorium, dat OPERA heetOPERA heet

De metingenDe metingen Afstand CERN –Gran Sasso 730 kmAfstand CERN –Gran Sasso 730 km

Wat er werd gemetenWat er werd gemeten

• Eerste reeks metingen in Eerste reeks metingen in september 2011september 2011

• Verbeterd in november 2011Verbeterd in november 2011

• Diagram toont verschil t.o.v. Diagram toont verschil t.o.v. de tijd die met exacte de tijd die met exacte lichtsnelheid zou zijn bereiktlichtsnelheid zou zijn bereikt

• Ze kwamen Ze kwamen te vroeg te vroeg aan!aan!

• Gemiddeld 62,1 nanoseconde Gemiddeld 62,1 nanoseconde -dit is 18,6 meter -dit is 18,6 meter

• Onzekerheid is Onzekerheid is ±± 1,1 meter 1,1 meter

Gemeten langs een ingewikkeld Gemeten langs een ingewikkeld trajecttraject

• Bundel protonen botst op grafietBundel protonen botst op grafiet• Geproduceerde deeltjes worden magnetisch Geproduceerde deeltjes worden magnetisch

geleid en botsen opnieuw; maken neutrino'sgeleid en botsen opnieuw; maken neutrino's• Deze vliegen richting Gran SassoDeze vliegen richting Gran Sasso• Daar gedetecteerd; signaal wordt door Daar gedetecteerd; signaal wordt door

kabels en door een 1,5 km lange glasvezel kabels en door een 1,5 km lange glasvezel naar detector gevoerd. naar detector gevoerd.

• Klokken gesynchroniseerd via GPS; afstand Klokken gesynchroniseerd via GPS; afstand ook accuraat gemeten; nauwkeurigheid ca. ook accuraat gemeten; nauwkeurigheid ca. 20 cm 20 cm

De metingen – ingewikkeld De metingen – ingewikkeld genoeg!genoeg!

Twijfel: er is geen Twijfel: er is geen ČČerenkov straling erenkov straling

waargenomen waargenomen

hoewel dat wel zou moeten hoewel dat wel zou moeten (sneller dan het licht)(sneller dan het licht)

Is er misschien toch iets fout Is er misschien toch iets fout gegaan?gegaan?

Veel vruchteloze Veel vruchteloze verklaringenverklaringen• Is een neutrino een tachyon? Nee toch? Is een neutrino een tachyon? Nee toch? • De kabels zijn ergens toch 18 meter De kabels zijn ergens toch 18 meter

korter dan men gedacht heeft. Maar ze korter dan men gedacht heeft. Maar ze zijn toch goed nagemeten? zijn toch goed nagemeten? (Dit is niet het (Dit is niet het moeilijkste deel van het verhaal)moeilijkste deel van het verhaal)

• De relativiteitstheorie is fout – maar die is De relativiteitstheorie is fout – maar die is toch al duizenden malen getest? toch al duizenden malen getest?

• En andere onduidelijke verklaringen …En andere onduidelijke verklaringen …

Efficiënte controle: maak de Efficiënte controle: maak de afstand groter, afstand groter,

bijvoorbeeld 160 000 bijvoorbeeld 160 000 lichtjaren lichtjaren

Dat maakt de metingen Dat maakt de metingen zoveel eenvoudiger en vooral zoveel eenvoudiger en vooral

duidelijker!duidelijker!

Supernova in Grote Supernova in Grote Magellaanse Wolk: SN1987AMagellaanse Wolk: SN1987A

SN1987A. SN1987A. Rechts:Rechts: vóór de vóór de explosieexplosie

Supernova: geboorte van Supernova: geboorte van een neutronenstereen neutronenster

• Als een zware ster ineenstort zullen in Als een zware ster ineenstort zullen in de kern elektronen fuseren de kern elektronen fuseren (versmelten) met de protonen; het (versmelten) met de protonen; het worden neutronenworden neutronen

• Daarbij worden enorm veel neutrino’s Daarbij worden enorm veel neutrino’s gevormdgevormd

• [Deze nemen niet minder dan 99% van de explosie [Deze nemen niet minder dan 99% van de explosie energie mee het heelal inenergie mee het heelal in

• Wat we Wat we zienzien van de explosie is dus maar één van de explosie is dus maar één procent van de explosie energie!] procent van de explosie energie!]

10 neutrino’s uit supernova 1987A. Arriveerden drie 10 neutrino’s uit supernova 1987A. Arriveerden drie uur vóór de zichtbare explosie! Maar dat is te uur vóór de zichtbare explosie! Maar dat is te verklarenverklaren

DieDie neutrino’s waren wel op neutrino’s waren wel op tijdtijd• Indien ze met dezelfde snelheid waren Indien ze met dezelfde snelheid waren

gevlogen als die van het CERN-Gran gevlogen als die van het CERN-Gran Sasso experiment dan zouden ze Sasso experiment dan zouden ze drie drie jaar eerderjaar eerder moeten zijn aangekomen moeten zijn aangekomen

• Ze hadden wel duizend maal geringere Ze hadden wel duizend maal geringere energie dan die van CERN-Gran Sassoenergie dan die van CERN-Gran Sasso

• Maar dat verschil kan niet de verklaring Maar dat verschil kan niet de verklaring zijn geweest zijn geweest

De verklaring (voorjaar De verklaring (voorjaar 2012)2012)

Er blijkt toch een technische fout Er blijkt toch een technische fout te zijn gemaakt bij het meten van te zijn gemaakt bij het meten van

de tijdstippen met het de tijdstippen met het klokkensysteemklokkensysteem

De vermoedelijk voornaamste De vermoedelijk voornaamste foutfout

• Het GPS signaal van de satelliet wordt Het GPS signaal van de satelliet wordt bovengronds opgevangen, zowel in bovengronds opgevangen, zowel in Geneve als in Gran SassoGeneve als in Gran Sasso

• Het wordt in Gran Sasso door een ruim 8 Het wordt in Gran Sasso door een ruim 8 km lange kabel naar het ondergrondse km lange kabel naar het ondergrondse station gevoerdstation gevoerd

• Een slecht contact in die kabel vertraagt Een slecht contact in die kabel vertraagt het overbrengen iets – het gaat hier dan het overbrengen iets – het gaat hier dan ook om zeer kleine afwijkingen. ook om zeer kleine afwijkingen.

Twee mogelijke foutenTwee mogelijke fouten

• Eerste fout: een vertraging in de GPS Eerste fout: een vertraging in de GPS verbinding tussen de klokken in CERN en in verbinding tussen de klokken in CERN en in Gran Sasso (OPERA) – een slecht contact Gran Sasso (OPERA) – een slecht contact stoort de tijdmetingstoort de tijdmeting

• Interne oscillaties in het kloksysteem in Gran Interne oscillaties in het kloksysteem in Gran Sasso zouden de gemeten tijd langer maken Sasso zouden de gemeten tijd langer maken

• De effecten van deze twee mogelijke fouten De effecten van deze twee mogelijke fouten moeten nog nader bestudeerd en tegen moeten nog nader bestudeerd en tegen elkaar afgewogen wordenelkaar afgewogen worden

Schematisch: de Schematisch: de meetfoutenmeetfouten

Wat moeten we hiervan Wat moeten we hiervan denken?denken?

• Stellig een te snelle publicatie; foei! Stellig een te snelle publicatie; foei!

• Een vraag blijft: als neutrino’s massa Een vraag blijft: als neutrino’s massa hebben dan kunnen ze niet met hebben dan kunnen ze niet met lichtsnelheid lopen – heeft het daarom zin lichtsnelheid lopen – heeft het daarom zin de metingen te herhalen?de metingen te herhalen?

• Neen, niet daarom, want door de uiterst Neen, niet daarom, want door de uiterst geringe massa bedraagt het verschil met de geringe massa bedraagt het verschil met de lichtsnelheid minder dan een miljardste deel lichtsnelheid minder dan een miljardste deel van een procent; vrijwel onmeetbaar klein van een procent; vrijwel onmeetbaar klein

NEUTRINO’S NEUTRINO’S

Raadselachtige objectenRaadselachtige objecten

Deeltje en golf Deeltje en golf

Neutrino oscillaties Neutrino oscillaties