Volgens een Amerikaanse hoogleraar natuurkunde kan het heel goed zo zijn dat de lichtste neutrino’s sneller dan het licht gaan.
Nee, neutrino’s gaan niet sneller dan het licht. Dat was in 2012 uiteindelijk de conclusie, nadat het OPERA-experiment enkele maanden lang had geclaimd dat deze deeltjes wél ietsje harder dan 300.000 kilometer per seconde van Zwitserland naar Italië waren gereisd. Helaas voor wie hoopte op nieuwe natuurkunde: een verkeerd aangesloten kabel bleek de boosdoener. Maar volgens de onlangs gepensioneerde hoogleraar natuurkunde Robert Ehrlich (George Mason-universiteit) kan het toch nog zo zijn dat de lichtste van de drie soorten neutrino’s, elektronneutrino’s genaamd, sneller dan het licht reizen.
Imaginaire massa
Nu is een deeltje dat sneller dan het licht gaat op allerlei manieren behoorlijk vreemd. Zo zou het in feite terug in de tijd reizen, en niet langzamer, maar juist sneller gaan als het energie verliest. Misschien wel de meest buitenissige eigenschap van zo’n deeltje is dat volgens Einsteins speciale relativiteitstheorie het kwadraat van diens massa een negatief getal moet zijn. Als je met gewone getallen werkt, kan dat helemaal niet; een kwadraat is dan altijd positief. Maar als die massa een zogenoemd imaginair getal is, krijg je wel een negatief getal als je het met zichzelf vermenigvuldigt. En dat is wat Ehrlich beweert: dat elektronneutrino’s een imaginaire massa hebben.
Nu speelt Ehrlich al wel langer met dat idee. Ruim vijftien jaar geleden publiceerde hij al twee artikelen waarin hij claimde dat in kosmische straling afkomstig van het astronomische object Cygnus X-3 protonen steeds in neutronen veranderden, die op hun beurt weer in protonen veranderden enzovoort. Zo’n proces zou alleen mogelijk zijn als elektronneutrino’s sneller dan het licht gaan. Die waarneming werd destijds echter flink in twijfel getrokken, onder andere omdat überhaupt niet duidelijk is of Cygnus X-3 wel kosmische straling uitzendt met hoge energie.
Zes wegen
In zijn nieuwe artikel, te verschijnen in het wetenschappelijke tijdschrift Astroparticle Physics, slaat Ehrlich echter terug. Deze keer komt hij met maar liefst zes waarnemingen die goed te rijmen zijn met een elektronneutrino dat sneller dan het licht gaat. Daarvan draaien er bovendien maar twee om kosmische straling; de overige vier komen uit andere hoeken van de deeltjesfysica en de astronomie.
Onder meer kijkt Ehrlich naar theorieën aangaande de donkere energie, die het heelal steeds sneller doet uitdijen, en naar de kosmische achtergrondstraling – die verwarrend genoeg niets met kosmische straling te maken heeft, maar een kleine 400.000 jaar na de oerknal werd uitgezonden. En, zo concludeert Ehrlich: alle zes die wegen leiden tot dezelfde conclusie. Namelijk dat het kwadraat van de elektronneutrinomassa -0,11 elektronvolt is. (Ter vergelijking: het elektron, het lichtste elementaire deeltje waarvan we de massa zeker weten, weegt 500.000 elektronvolt. Imaginaire massa of niet, het gaat hoe dan ook om een héél licht deeltje.)
Speculatieve natuurkunde
Met zes verschillende manieren om tot dezelfde neutrinomassa te komen, klinkt het natuurlijk alsof Ehrlich zijn verhaal behoorlijk goed heeft onderbouwd. Toch valt er behoorlijk wat op af te dingen. Zo baseert hij zich op een gegeven moment op een type verval dat één experiment claimt te hebben waargenomen – maar alle andere experimenten die hiernaar zochten, hebben dat niet kunnen zien. Ook het idee dat donkere materie te verklaren is met deeltjes die sneller dan het licht gaan, is maar een van de vele mogelijkheden die zijn geopperd. Verder haalt Ehrlich er nieuwe soorten neutrino’s erbij genaamd steriele neutrino’s, die allerminst tot de algemeen geaccepteerde deeltjes behoren. Kortom, er zit aardig wat speculatieve natuurkunde in zijn verhaal.
Naast deze niet voor de hand liggende aannames, zo mailt deeltjesfysicus Patrick Decowski (Universiteit van Amsterdam en Nikhef), zitten er bovendien een aantal fouten in de formules. Hij noemt het artikel dan ook “een nogal slordige opsomming van verschillende, ongerelateerde dingen” waarvan hij “verbaasd zou zijn als het in deze vorm wordt gepubliceerd door Astroparticle Physics“.
Toch: de mogelijkheid blijft intrigerend – en is te rijmen met het feit dat we nog niet weten hoeveel de drie neutrinosoorten elk afzonderlijk wegen. We kennen alleen de verschillen tussen de kwadraten van de massa’s. Daardoor kan het op zich best zijn dat het kwadraat van de massa van de lichtste soort onder de nul zit.
Nieuw experiment
Of dat ook echt zo is? Daar kan het Duitse experiment KATRIN, dat in 2015 van start gaat, misschien meer licht op werpen, schrijft Ehrlich. Ook waarnemingen aan supernova’s, die grote hoeveelheden neutrino’s uitzenden, kunnen helpen – alsmede waarnemingen aan het verschijnsel waar het in 1999 allemaal mee begon: kosmische straling.
Overigens betekent dit hoe dan ook niet dat het OPERA-experiment in 2011 ’toch gelijk had’. Dat keek namelijk niet naar elektronneutrino’s, maar naar muonneutrino’s. En die gaan ook volgens Ehrlich gewoon langzamer dan het licht.