211service.com
Sneller-dan-licht Neutrino-puzzel opgelost door speciale relativiteitstheorie
Het is nu drie weken geleden sinds het buitengewone nieuws dat neutrino's die tussen Frankrijk en Italië reizen, sneller dan het licht zijn geklokt. Het experiment, bekend als OPERA, ontdekte dat de deeltjes geproduceerd bij CERN bij Genève ongeveer 60 nanoseconden eerder dan de lichtsnelheid toeliet in het Gran Sasso-laboratorium in Italië aankwamen.
Het resultaat heeft een golf van opwinding door de natuurkundegemeenschap gestuurd. Sindsdien zijn er meer dan 80 papers verschenen op de arXiv die het effect probeerden te ontkrachten of te verklaren. Het is echter eerlijk om te zeggen dat het algemene gevoel is dat het OPERA-team iets over het hoofd moet hebben gezien.
Vandaag maakt Ronald van Elburg van de Rijksuniversiteit Groningen een overtuigend argument dat hij de fout heeft gevonden.
Laten we eerst eens kijken naar het experiment, dat eenvoudig van opzet is: een meting van afstand en tijd.
De afstand is duidelijk. De locatie van de neutrinoproductie bij CERN is vrij eenvoudig te meten met behulp van GPS. De positie van het Gran Sasso-laboratorium is moeilijker vast te stellen omdat het onder een kilometer hoge berg ligt. Desalniettemin zegt het OPERA-team de afstand van 730 km tot op 20 cm of zo te hebben gespijkerd.
De tijd van neutrinovlucht is moeilijker te meten. Het OPERA-team zegt het moment waarop de neutrino's worden gemaakt en het moment waarop ze worden gedetecteerd nauwkeurig te kunnen meten met behulp van klokken aan elk uiteinde.
Maar het lastige is om de klokken aan beide uiteinden precies gesynchroniseerd te houden. Het team doet dit met behulp van GPS-satellieten, die elk een zeer nauwkeurig tijdsignaal uitzenden vanuit een baan rond de 20.000 km boven ons hoofd. Dat brengt een aantal extra complicaties met zich mee waar het team rekening mee moet houden, zoals de reistijd van de gps-signalen naar de grond.
Maar van Elburg zegt dat er één effect is dat het OPERA-team over het hoofd lijkt te hebben gezien: de relativistische beweging van de GPS-klokken.
Het is gemakkelijk om te denken dat de beweging van de satellieten niet relevant is. De radiogolven die het tijdsignaal dragen, moeten immers met de snelheid van het licht reizen, ongeacht de snelheid van de satellieten.
Maar er is nog een subtiliteit. Hoewel de snelheid van het licht niet afhankelijk is van het referentiekader, is de vliegtijd dat wel. In dit geval zijn er twee referentiekaders: het experiment op de grond en de klokken in een baan om de aarde. Als deze ten opzichte van elkaar bewegen, moet hier rekening mee worden gehouden.
Dus wat is de beweging van de satellieten met betrekking tot het OPERA-experiment? Deze sondes draaien van west naar oost in een vlak dat onder een hoek van 55 graden ten opzichte van de evenaar staat. Veelbetekenend is dat dat ongeveer in lijn is met de vliegroute van neutrino's. Hun relatieve beweging is dan eenvoudig te berekenen.
Dus vanuit het oogpunt van een klok aan boord van een GPS-satelliet, veranderen de posities van de neutrinobron en -detector. Vanuit het perspectief van de klok beweegt de detector naar de bron toe, waardoor de afstand die de deeltjes afleggen zoals waargenomen vanaf de klok korter is, zegt Van Elburg.
Hiermee bedoelt hij korter dan de afstand gemeten in het referentieframe op de grond.
Het OPERA-team ziet dit over het hoofd omdat het de klokken beschouwt als op de grond en niet in een baan om de aarde.
Hoe groot is dit effect? Van Elburg berekent dat de neutrino's 32 nanoseconden eerder zouden moeten arriveren. Maar dit moet worden verdubbeld omdat aan elk uiteinde van het experiment dezelfde fout optreedt. Dus de totale correctie is 64 nanoseconden, bijna precies wat het OPERA-team waarneemt.
Dat is indrukwekkend, maar het wil niet zeggen dat het probleem is opgelost en afgestoft. Peer review is een essentieel onderdeel van het wetenschappelijke proces en dit argument moet worden onderzocht door de gemeenschap in het algemeen en het OPERA-team in het bijzonder.
Als het opstaat, zal deze aflevering beladen zijn met ironie. Verre van het breken van Einsteins theorie van relatief, zal de sneller-dan-licht-meting een nieuwe bevestiging ervan blijken te zijn.
Referentie: arxiv.org/abs/1110.2685 : Vluchttijden tussen een bron en een detector waargenomen door een GPS-satelliet.