Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: doen neutrino’s langer over hun reis door het heelal dan je zou verwachten?

De kreet ‘heilige graal’ wordt te pas en te onpas gebruikt, maar een theorie die de quantummechanica en de zwaartekracht onder één paraplu weet te brengen, zou je met recht de heilige graal van de natuurkunde kunnen noemen. Of op zijn minst een van de heilige gralen.

Een team van Italiaanse natuurkundigen onder leiding van Giovanni Amelino-Camelia heeft nu geprobeerd een mogelijk effect te meten van zo’n quantumzwaartekrachttheorie. Die zou deeltjes genaamd neutrino’s tijdens hun tocht door het heelal kunnen vertragen. En misschien, heel misschien, zijn er neutrino’s gezien waar dat inderdaad voor geldt.

Meer van Far Out:

• Astronomen hebben 600.000 sterren doorgelicht op signalen van aliens
• Zijn buitenaardse ruimteschepen te vinden dankzij zwaartekrachtgolven?

Zwaar én klein

Allereerst: wat is de big deal met zo’n quantumzwaartekrachttheorie? Nou, onze huidige natuurkunde kent twee grote succesnummers. Ten eerste is dat de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Die beschrijft hoe de zwaartekracht werkt. Heel kort door de bocht: objecten met een massa – zoals sterren, planeten of KIJK-lezers – krommen de ruimtetijd, die kromming bepaalt vervolgens hoe andere objecten bewegen. En ten tweede hebben we de quantummechanica, die de wereld van het allerkleinste beschrijft.

Beide theorieën werken prima. Wil je iets weten over hoe zware dingen zoals sterrenstelsels of zwarte gaten met hun zwaartekracht hun omgeving beïnvloeden? Dan kun je dat uitrekenen met de relativiteitstheorie. En wil je weten hoe minuscule deeltjes zich gedragen? Dan biedt de quantummechanica uitkomst.

Maar je komt in de problemen als je ze allebei tegelijk nodig hebt, omdat je berekeningen wil doen aan iets dat én heel zwaar, én heel klein is. Zoals het heelal ten tijde van de oerknal. Of het hart van een zwart gat. Dan blijkt dat de twee theorieën te verschillend in elkaar zitten om ze samen op één kwestie los te laten. Dat probleem zou je dan kunnen verhelpen met een nieuwe beschrijving van de zwaartekracht in het jasje van de quantummechanica. Oftewel: een quantumzwaartekrachttheorie.

Versneld of vertraagd?

Hoe zo’n theorie eruit zou moeten zien, weten we niet. Maar sommige ervan hebben de eigenschap dat ze deeltjes kunnen vertragen of versnellen, zegt Amelino-Camelia. Eén type deeltjes waar je dan naar kunt kijken, zijn neutrino’s. Die schieten door de ruimte met een snelheid die bijna niet te onderscheiden is van de lichtsnelheid. Als er dus ergens ver weg in het heelal een ontploffing plaatsvindt waarbij zowel een boel licht als een boel neutrino’s het heelal in wordt geslingerd, dan zouden licht en neutrino’s nagenoeg tegelijk hier op aarde aan moeten komen. Behalve als die neutrino’s onderweg worden versneld of vertraagd door quantumzwaartekrachteffecten.

Nu dachten onderzoekers eerder al tekenen van zulke effecten te zien in data van het experiment IceCube, dat bestaat uit duizenden neutrinodetectors, verspreid over een kubieke kilometer zuidpoolijs. Lastig was alleen dat er zowel neutrino’s leken te zijn die eerder aankwamen dan verwacht als neutrino’s die later aankwamen. Terwijl je toch zou denken dat een quantumzwaartekrachttheorie de deeltjes ofwel versnelt, ofwel vertraagt – niet allebei.

In de nieuwe analyse van Amelino-Camelia en collega’s, die profiteert van het feit dat inmiddels beter bekend is uit welke richting de door IceCube gemeten neutrino’s kwamen, verdwijnt dat tegenstrijdige effect. Zij zien “geen bewijs voor neutrino’s die worden versneld door quantumruimtetijd-eigenschappen, terwijl het bewijs voor neutrino’s vertraagd door quantumruimtetijd nog sterker is dan eerder”. De neutrinoneuzen wijzen dus nu in elk geval in één richting.

Vals alarm

Maar voorzichtigheid is geboden. Ten eerste hebben we het hier over welgeteld zeven neutrino’s die langer over hun reis naar de aarde zouden hebben gedaan dan je zou verwachten. Ten tweede hangt het hele verhaal op de aanname dat die neutrino’s zijn ontstaan bij zogenoemde gammaflitsen: explosies in het heelal die ook een boel licht produceren. Maar, zo zegt de niet bij het onderzoek betrokken astrodeeltjesfysicus Aart Heijboer van het Nederlandse instituut Nikhef, het is een open vraag of gammaflitsen wel neutrino’s produceren. Je neemt bij dit soort onderzoek dus én aan dat dit inderdaad het geval is, én dat die neutrino’s vervolgens door de effecten van een nog niet ontdekte theorie toch niet tegelijk bij de aarde aankomen als het licht van ‘hun’ gammaflits.

Bovendien is de kans op ‘vals alarm’ zo’n 5 procent, schrijven de onderzoekers in hun wetenschappelijke artikel. En die kans is, zeker binnen de deeltjesfysica, te groot om veel waarde aan het resultaat te mogen hechten. Amelino-Camelia is trouwens de eerste om dat te onderkennen: “Die 5 procent is nét klein genoeg voor ons om te vinden dat het de moeite waard is om hier verder onderzoek naar te doen.”

Nu meldt het artikel verderop ook een ‘vals-alarm-kans’ van 0,7 procent. Dat lijkt er al meer op, zou je zeggen. Maar om tot dat percentage te komen, zijn er in tweede instantie een paar extra neutrino’s meegenomen die nóg moeilijker te matchen waren met een bepaalde gammaflits dan hun zeven broertjes. Heijboer protesteert tegen die manier van werken: “Je bepaalt dan niet van tevoren waar je precies naar op zoek gaat, maar haalt er achteraf data bij die in je straatje passen. En dat maakt het extra moeilijk om te bepalen hoe sterk je resultaat nu echt is.”

Maar goed, IceCube loopt nog steeds. Daarnaast is onlangs het neutrino-experiment waar Heijboer aan meewerkt, KM3NeT, in de Middellandse Zee van start gegaan. Er komen dus steeds meer neutrinodata bij – en dan gaan we zien of die het geclaimde vertragingseffect beter onderbouwen of juist als sneeuw voor de zon laten verdwijnen.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist, gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor deze rubriek raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Giovanni Amelino-Camelia e.a.: Could Quantum Gravity Slow Down Neutrinos?, Nature Astronomy (12 juni 2023).

Deze Far Out staat ook in KIJK 1/2024. Bestel deze editie in onze webshop of eenvoudig via de knop hieronder.