Leadership

An idea can be captured in a formula.

This has been successfully demonstrated in science. The idea comes first, it marks the most important moment in scientific research: the moment of creativity.

A famous example of such an idea is the one that led Einstein to the theory of relativity.

The idea is that it is impossible to measure ‘absolute motion’.

Close your eyes and imagine yourself drifting through empty space. There is nothing but you. According to Einstein’s idea it is impossible for you to know whether you are in motion or at rest. You were clever enough to bring a flashlight. You send flash of light into the direction ahead of you. The light will travel with a speed that equals the speed of light with respect to the flashlight plus the speed of the flashlight itself - your speed. So by measuring the speed of the light your flashlight emitted you can then determine whether you are in motion or not. No, Einstein says. He holds on to his idea and asserts: the speed of light is constant and independent of the state of motion of the source that emits it and independent of the state of motion of the observer that detects it. He extended this idea with a further assertion, somewhat more subtle. If ‘absolute motion’ is a meaningless concept, the state of motion of a particular observer, say a physicist conducting experiments, is irrelevant for the laws of nature this observer discovers. In other words: the laws of nature are invariant under transformations of one frame of reference to another. These two ideas have far reaching consequences. The most dramatic is that ‘time’ is not absolute, but relative. Relative to the state of motion of the observer with respect to the clock that is used for clocking the time. ‘Moving clocks run slower’ is the brief summary of this result of Einstein’s theory of relativity.

In a formula: t’=t/sqrt(1-v*v/c*c)

Imagine an elementary particle, like a muon (abundantly present in cosmic rays), that is unstable and has a characteristic natural lifetime. (Two millionth of a second in this particular case). If we observe this particle flashing by with a speed v then we see it decay after t’ seconds according to this formula. c is the speed of light, 300 000 km/sec. For speeds v approaching the speed of light, to 90 or even 99 percent or more, t’ can become much bigger than t and the particle can travel much further than one would expect according to its natural lifetime t. This is exactly what is observed in experiments. There is something else the formula tells us: v can never become bigger than c, no object can travel faster than the speed of light. In that case we would have to take the square root of a negative number and the formula becomes meaningless.

Physics stops at the speed of light.

When the OPERA experiment, employing a neutrino beam generated at CERN and a detector located at the Gran Sasso laboratory in Italy, announced the observation of neutrino’s travelling faster than light the theory of relativity was challenged. Before publicizing such an earthshaking result you better be very sure that your measurement is right. The measurement was wrong. Who should take responsibility for publicizing this erroneous measurement prematurely? The ‘spokesperson’ of the Opera team, Antonio Ereditato, has resigned over it. So be it. He took his responsibility even if he is no more guilty than many of his senior colleagues; that is the way it goes.

The publicity on superluminal neutrinos and the subsequent withdrawal of this claim has done considerable harm to CERN’s reputation as a center of excellence. Those responsible for its governance and management should speak up. They should explain themselves.

Jos Engelen
8-4-2012

Vallende neutrino's

Afgelopen week publiceerde CERN het persbericht dat er een losse kabel en een niet goed functionerend elektronisch circuit waren gevonden in de apparatuur van het OPERA experiment. OPERA is opgesteld in Gran Sasso en vangt neutrino’s op die op CERN, 730 km ‘stroomopwaarts’ worden weggeschoten. Een aantal maanden geleden publiceerde OPERA een voorlopig resultaat dat de wereld op zijn kop zette: de neutrino’s legden de weg van CERN naar Gran Sasso af met een snelheid groter dan die van het licht. ‘Meten is weten’ zei Kamerlingh Onnes ooit. Het is een waardig adagium voor de experimentele natuurkunde. Maar ‘meten’ is pas ‘weten’ als de meting correct is. Toen Sam Ting en zijn groep in 1974, toevallig het J/psi deeltje vonden en daarmee een nieuwe quark (‘charm’ of ‘tover’) publiceerden ze dat pas na een hele serie, ook gepubliceerde, tests om zich ervan te overtuigen dat het waargenomen signaal geen instrumentele artefact was.

Als er een wereld is aan gene zijde van de lichtsnelheid dan moet er voor die wereld een nieuwe natuurkunde worden uitgevonden. En moet er een verband tussen de veilige wereld die Einstein voor ons ontdekt heeft en die nieuwe wereld zijn. Pas als de lichtsnelheid niet de ultieme snelheid in de natuur blijkt te zijn is er een dwingende reden naar die nieuwe natuurkunde op zoek te gaan. OPERA heeft daarom een grote verantwoordelijkheid op zich geladen door een voorlopig resultaat te publiceren dat nu prematuur lijkt te zijn. Ondanks het feit dat er open is gecommuniceerd en er voortdurend gewaarschuwd is dat er onafhankelijke bevestiging van de meting nodig was, overheerst toch het beeld van ‘knulligheid’. Vanwaar de haast? Het achtuurjournaal van de NOS meldde dat CERN een eerder aangekondigd spectaculair resultaat had ingetrokken. Daarbij werden beelden getoond van de Large Hadron Collider en de experimenten die op zoek zijn naar het Higgs boson! Het neutrino-experiment lijkt daardoor de reputatie te beschadigen van de top-experimentatoren die met grote competentie en creativiteit het net om het Higgs-boson proberen te sluiten. Ook hier heeft CERN veel te vroeg de publiciteit gezocht door speculaties te voeden over wat er eventueel al in het net zit. Komend jaar wordt het net opgehaald. En dan zullen we het weten. Want meten is weten.

Jos Engelen
26 februari 2012

Neutrino's boven de snelheidslimiet?

Neutrino’s zijn elementaire deeltjes. Wat zijn dat? Precies wat de naam zegt: deeltjes die elementair zijn, d.w.z. niet uit onderdelen samengesteld. Het bestaan van neutrino’s is voorspeld door Pauli in 1930 omdat er ‘iets’ ontbrak in de eindtoestand na het spontane verval van bepaalde atoomkernen (radioactiviteit). Dat ‘iets’ werd door Fermi neutrino gedoopt: iets kleins en neutraals. Rechtstreeks detecteren van neutrino’s is erg lastig omdat ze met een heel kleine waarschijnlijkheid botsen met materie op hun weg. Klein, maar niet nul. Als er dus maar genoeg neutrino’s zijn, bijvoorbeeld in een intense bundel, of als er maar genoeg materie op hun weg geplaatst wordt, ijzer of lood bijvoorbeeld, dan zal af en toe een neutrinobotsing waargenomen kunnen worden. In 1956 werden neutrino’s voor het eerst experimenteel aangetoond door Reines en Cowan.

Neutrino’s zijn heel licht, dat blijkt uit de experimenten die sinds de ontdekking uitgevoerd zijn. ‘Heel licht’ betekent honderdduizenden keren lichter dan het lichtste materiedeeltje dat we kennen, het elektron. Het betekent ook dat een neutrino heel snel beweegt. En heel snel betekent: slechts een heel kleine fractie minder dan de snelheid van het licht. Om precies te zijn is deze fractie het kwadraat van de massa van het neutrino gedeeld door twee maal het kwadraat van de energie. In de praktijk betekent dit dat de lichtsnelheid benaderd wordt tot op 99.9999999999... procent: de afwijking van de lichtsnelheid is daarmee onmeetbaar klein.

Een paar dagen geleden (we schrijven september 2011) verscheen een publicatie waarin een meting van de snelheid van neutrino’s wordt beschreven die een fractie 0.000025 groter is dan de snelheid van het licht. Groter: volgens de relativiteitstheorie waarop de hele moderne natuurkunde gebouwd is kan dit niet. 7.5 kilometer per seconde sneller dan het licht, dat 300 000 km per seconde aflegt.

Het experiment is uitgevoerd met een bundel die opgewekt wordt bij CERN. Het Europese laboratorium voor hoge-energiefysica dat ik goed ken, dat een stuk van mijn leven is en een erkend mondiaal expertisecentrum van de allerhoogste reputatie. De bundel wordt door de aarde, dat kan met neutrino’s, naar het Gran Sasso laboratorium (160 km ten noord-oosten van Rome) gestuurd. Daar staat de detector (OPERA) om de bundel, dat wil zeggen de kleine fractie ervan die in de detector een interactie vertoont, op te vangen.

Wat moeten we weten om de snelheid te meten? De afstand tussen het punt waar de neutrino’s opgewekt worden en de detector waar een aantal daarvan gedetecteerd wordt. Deze afstand is 730 km en bekend met een precisie van 20 centimeter. Ga er maar aan staan! Met moderne GPS technologie is dit goed mogelijk. Maar er is een complicatie: de OPERA detector staat onder de grond (beter: in een berg) om afgeschermd te zijn van de achtergrond van kosmische stralen. Het GPS signaal moet dus ‘getransporteerd’ worden van de ingang van de tunnel (waar een drukke autoweg doorheen gaat), waar de GPS satelliet ‘zichtbaar’ is, naar de hal, halverwege opzij, waar de detector staat. Maar goed: het is mogelijk. Na de aardbeving bij l’Aquila van april 2009 bleek de detector 7 cm verschoven. Ook de continentale drift van 1 centimeter per jaar wordt waargenomen. Dat alles geeft vertrouwen.

Wat moeten we nog meer weten? De tijd die een neutrino erover doet. Nu wordt het lastig. Op CERN en bij Gran Sasso moeten daartoe klokken gebruikt worden die perfect synchroon lopen. Mooi detail: bij Gran Sasso is de zwaartekracht iets anders dan bij CERN en de algemene relativiteitstheorie moet gebruikt worden om de invloed op de tijd die dit heeft, te corrigeren! Diezelfde relativiteitstheorie voorspelt dat niets sneller kan gaan dan het licht... Maar goed: weer met GPS en met hoge precisie Cesiumklokken kan deze synchronisatie bereikt worden.

Wanneer vertrekt het neutrino op CERN? De bundel ontstaat doordat een puls protonen, gedurende 10 microseconden uit de versneller ‘geschopt’ via een zogenaamde ‘kicker’ magneet, invalt op een stuk grafiet. De neutrino’s zijn vervolgens afkomstig van het verval van ‘primaire’ deeltjes (zoals ‘pionen’) die door de proton-grafietbotsingen geproduceerd worden. Er wordt dus een neutrinopuls met dezelfde tijdstructuur als de protonpuls naar Gran Sasso gestuurd. De structuur van de protonpuls is heel gemakkelijk te meten: protonen zijn elektrisch geladen en goed ‘zichtbaar’.

Wat we nu nog moeten doen is de tijdstructuur meten van de neutrinopuls die bij Gran Sasso aankomt. Deze twee pulsvormen (protonen bij de bron en neutrino’s bij de detector) leggen we over elkaar. Of liever gezegd naast elkaar want ze zullen een verschuiving in de tijd laten zien: de neutrino’s moeten 730 km reizen (zo’n 2.5 milliseconde, 0.0025 seconde).

De neutrinoaankomst wordt bepaald door het moment dat de detector, OPERA, ‘oplicht’ doordat een neutrino een reactie aangaat waarbij geladen deeltjes vrijkomen. Gedurende meetcampagnes in 2009, 2010 en 2011 leverde dit in totaal 16000 gedetecteerde neutrino interacties op.

Resultaat: de neutrinopulsvorm is verschoven t.o.v. de protonpulsvorm met 60 nanoseconden minder dan wanneer de neutrino’s met de snelheid van het licht zouden gaan. De geschatte meetnauwkeurigheid is 10 nanoseconden. De afwijking is dus significant. De neutrino’s gaan een fractie 25 miljoenste (0.000025) sneller dan het licht, 7.5 km per seconde.

Dit is niet te rijmen met de relativiteitstheorie. Neutrino’s hebben een weliswaar kleine massa, maar ook dan zouden ze oneindig veel energie hebben als ze precies met de lichtsnelheid zouden voortbewegen. De wereld voorbij de lichtsnelheid is een imaginaire...

Wat hebben de OPERA-onderzoekers fout gedaan? Wat ze goed hebben gedaan is het verschaffen van zo gedetailleerd mogelijk inzicht in hoe ze hun metingen uitgevoerd en geverifieerd hebben. Anderen kunnen nu helpen de zwakke plek, wellicht technisch van aard, te vinden. Het is mij nog niet gelukt, maar hij is er... Er zijn twee andere locaties op de wereld waar een dergelijke meting mogelijk is (in de Verenigde Staten en Japan). Hopelijk komen die er gauw (hoewel ‘gauw’ in de neutrinofysica nooit echt gauw is). Ook zou OPERA een detector, functioneel een kopie van de detector in Gran Sasso, dicht bij de bron kunnen plaatsen. Die detector moet dan, vanwege de nabijheid, tijdverschil nul opleveren en zal daarmee alle onzekerheid over de correcte meting van de aankomsttijd wegnemen. Een nieuwe detector: een project van jaren en wie betaalt het..?

Het zal misschien even duren voordat dit resultaat een verklaring vindt, een correctie. Indien het overeind blijft, dan moet die nabije detector er komen. Dat is de verificatie van een meting die de hele natuurkunde op haar kop zet wel waard!

Jos Engelen

25 september 2011