Neutrino's toch niet sneller dan het licht?

Grote opschudding in de wetenschappelijke wereld verleden maand, de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein (kleine foto) leek op losse schroeven te staan. Een internationaal team van wetenschappers had in samenwerking met het CERN, het Europees Centrum voor  Kernonderzoek, vastgesteld dat neutrino's iets sneller gingen dan het licht. Zo'n 60 nanoseconden namelijk, op een afstand van 732 kilometer. En volgens de relativiteitstheorie kan er niets sneller gaan dan een lichtstraal in een vacuüm, 299.792 kilometer per seconde.

De geleerden hadden zo'n 15.000 keer neutrino's afgevuurd vanuit het CERN naar een ondergronds laboratorium bij Gran Sasso in Italië en telkens opnieuw kwamen de neutrino's daar iets te vroeg aan. Het feit dat het experiment zo vaak hetzelfde resultaat opleverde, wees erop dat één van twee zaken waar zou zijn: ofwel gingen de neutrino's werkelijk sneller dan licht en werd de hele fysica op zijn kop gezet, ofwel zat er een fout in het experiment die telkens opnieuw voor een verkeerd resultaat zorgde.

Nu is de afstand tussen het CERN bij Genève en Gran Sasso, 732 kilometer, niet erg ver voor een neutrino, alles is immers relatief. Dat betekent dat om nauwkeurig de snelheid te kunnen berekenen van de neutrino's, het nodig is om drie dingen erg precies te weten, namelijk de afstand tussen het vertrek- en eindpunt, de tijd waarop de neutrino's vertrekken vanuit het CERN en de tijd waarop ze aankomen bij de detector in Italië.

Om die nauwkeurige metingen te kunnen doen, maakten de wetenschappers gebruik van GPS, zowel om de afstand als om de vertrek- en aankomsttijd te meten. Dankzij de GPS konden ze de afstand meten tot op 20 centimeter nauwkeurig en aangezien GPS-satellieten op basis van een zeer nauwkeurige atoomklok een tijdssignaal uitzenden per radio, werden ze ook gebruikt om de klokken te synchroniseren die de vertrek- en aankomsttijden meten. Daarvoor moesten de geleerden met een heel aantal factoren rekening houden, zoals de tijd die een radiosignaal nodig heeft om van de satelliet de aarde te bereiken, maar het lijkt erop dat ze een erg belangrijke factor vergeten zijn: de relativiteit. 

Relativiteit is bijzonder vreemd en gaat vaak in tegen onze intuïtie en ons "gezond verstand". In het kort gezegd, vertelt ze dat dingen als tijd en afstand kunnen veranderen, afhankelijk van waaruit je ze bekijkt, vooral als je je erg snel voortbeweegt ten opzichte van iets anders.

In het neutrino-experiment moeten we daarbij met twee zaken rekening houden: de meetstations op de grond die de vertrek- en aankomsttijden van de neutrino's registeren en de GPS-satellieten in de ruimte die als basis voor die registraties dienen. Aangezien de satellieten in een baan om de aarde draaien, bewegen ze veel sneller dan de detectoren op de grond. 

Aangezien de satellieten sneller bewegen dan de grondstations, bevinden ze zich in een ander "referentiekader" dan de meetpunten op de aarde.  En volgens de relativiteitstheorie is geen van beide referentiekaders het "juiste", ze zijn allebei even geldig. Vanuit de aarde gezien betekent het gewoon dat de satellieten aan een snelheid van meer dan 14.000 km/u rondsuizen, vanuit de satelliet gezien is het de aarde die beweegt.

Om te begrijpen hoe de relativiteit de resultaten van het experiment beïnvloedt, stellen we ons het best voor dat we in de satelliet zitten en de aarde zien bewegen. Als er een neutrino vertrekt uit Genève, beginnen we te timen. Intussen beweegt de detector die in Italië de aankomst van de neutrino's meet, zich even snel als de rest van de aarde, en vanuit ons perspectief gezien, in de richting van het vertrekpunt in Genève. Dat betekent dat de neutrino een iets kortere afstand zal moeten afleggen dan bij een stilstaand experiment. We stoppen met timen als de neutrino in Italië de detector bereikt, en we bekijken tevreden de resultaten, de neutrino is iets trager dan het licht, niets aan de hand.

Dan sturen we de resultaten door naar de aarde, naar een ander referentiekader, en... paniek! De neutrino's blijken sneller dan het licht te gaan. In het referentiekader van de aarde moeten de neutrino's immers een iets langere afstand afleggen, omdat het meetstation in Italië er zich niet beweegt in de richting van het vertrekpunt. En als de neutrino's die langere afstand afleggen in de tijd die we gemeten hebben, gaan ze iets sneller dan het licht. Met andere woorden, de GPS-klok heeft het juist gemeten, maar aangezien ze in een ander referentiekader zit, moet je een compensatie doorvoeren voor de relativiteit als je extreem nauwkeurige berekeningen wil maken.

Wetenschappers van de universiteit van Wageningen in Nederland hebben berekend welke invloed de relativiteit op het experiment heeft en ze komen tot de conclusie dat zowel bij vertrek als aankomst er een verschil is van 32 nanoseconden. Als je die bij elkaar optelt, krijg je 64 nanoseconden meer dan eerst gemeten en die rekenen mooi af met de 60 nanoseconden die de neutrino's te snel aankwamen om trager dan het licht te gaan.

En dus gaan de neutrino's niet sneller dan het licht en blijft de relativiteitstheorie overeind. Sterker nog, het experiment bevestigt nog eens dat als je geen rekening houdt met de relativiteit, je foutieve resultaten krijgt...