Eerder dit jaar kondigde een internationaal team van wetenschappers aan dat ze neutrino's hadden gevonden - kleine deeltjes met een even kleine maar niet-nul massa - die sneller reizen dan de lichtsnelheid. Een natuurkundige die de oproep beantwoordde, was Dr. Ramanath Cowsik. Hij vond een potentieel fatale fout in het experiment die het bestaan van snellere dan lichte neutrino's uitdaagde.
Superluminale (sneller dan lichte) neutrino's waren het resultaat van het OPERA-experiment, een samenwerking tussen het CERN-natuurkundelaboratorium in Genève, Zwitserland, en de Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Gran Sasso, Italië.
Het experiment heeft neutrino's getimed terwijl ze 730 kilometer (ongeveer 450 mijl) door de aarde reisden vanaf hun oorsprongspunt bij CERN naar een detector in Gran Sasso. Het team was geschokt toen ze ontdekten dat de neutrino's 60 nanoseconden eerder in Gran Sasso aankwamen dan wanneer ze met de snelheid van het licht in een vacuüm zouden reizen. Kortom, ze leken superluminaal.
Dit resultaat veroorzaakte een natuurkundig probleem of een doorbraak. Volgens Einsteins speciale relativiteitstheorie kan elk deeltje met massa de lichtsnelheid benaderen, maar het niet bereiken. Aangezien neutrino's massa hebben, mogen superluminale neutrino's niet bestaan. Maar op de een of andere manier deden ze dat.
Maar Cowsik twijfelde aan het ontstaan van de neutrino's. De OPERA-experimenten genereerden neutrino's door protonen tegen een stationair doelwit te slaan. Dit veroorzaakte een puls van pionen, onstabiele deeltjes die magnetisch gefocust waren in een tunnel waar ze vervielen tot neutrino's en muonen (een ander klein elementair deeltje). De muonen gingen nooit verder dan de tunnel, maar de neutrino's, die door materie kunnen glippen als een geest door een muur gaat, bleven richting Gran Sasso gaan.
Cowsik's en zijn team hebben deze eerste stap van het OPERA-experiment nauwkeurig bekeken. Ze onderzochten of 'pionverval superluminale neutrino's zou produceren, ervan uitgaande dat energie en momentum behouden blijven', zei hij. De OPERA-neutrino's hadden veel energie maar weinig massa, dus de vraag was of ze echt sneller konden bewegen dan licht.
Wat Cowsik en zijn team ontdekten, was dat als neutrino's geproduceerd door een pionverval sneller zouden reizen dan licht, de levensduur van de pion langer zou worden en dat elke neutrino een kleiner deel van de energie zou dragen die het deelt met de muon. Binnen het huidige natuurkundige kader zouden superluminale neutrino's erg moeilijk te produceren zijn. "Bovendien", legt Cowsik uit, "zouden deze moeilijkheden alleen maar toenemen naarmate de pion-energie toeneemt.
Er is een experimentele controle van de theoretische conclusie van Cowsik. De methode van CERN om neutrino's te produceren wordt op natuurlijke wijze gedupliceerd wanneer kosmische straling de atmosfeer van de aarde raakt. Een observatorium genaamd IceCube is opgezet om deze van nature voorkomende neutrino's op Antarctica te observeren; als neutrino's botsen met andere deeltjes, genereren ze muonen die sporen van lichtflitsen achterlaten als ze door een bijna 2,5 kilometer dik blok helder ijs gaan.
IceCube heeft neutrino's gedetecteerd met een energie die 10.000 keer hoger is dan die welke wordt gegenereerd als onderdeel van het OPERA-experiment, wat Cowsik tot de conclusie brengt dat hun ouderpionnen een overeenkomstig hoog energieniveau moeten hebben. Uit de berekeningen van zijn team op basis van wetten voor het behoud van energie en momentum bleek dat de levens van die pionnen te lang zouden moeten zijn om te vervallen tot superluminale neutrino's.
Zoals Cowsik uitlegt, is IceCube's detectie van hoogenergetische neutrino's een aanwijzing dat pionen vergaan volgens de standaard natuurkundige ideeën, maar de neutrino's zullen alleen de lichtsnelheid benaderen; ze zullen het nooit overschrijden.
Bron: pionen willen niet vervallen in snellere lichtneutrino's
