Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Sneller dan het licht? Eerst zien, dan geloven.
Op 24 september 2011 berichtte het NRC Handelsblad dat het CERN in Genève onderzoekt of neutrino’s sneller zijn dan het licht. Wanneer dit het geval zou zijn, dan zou dit de wetten van de fysica sterk veranderen.
Neutrino’s zijn de kleinste en meest ongrijpbare bouwstenen van de materie. Deze bouwstenen komen overal in de kosmos met velen voor. Deze deeltjes zijn echter niet zichtbaar en vliegen overal dwars doorheen. Aanvullend onderzoek naar deze deeltjes en of ze sneller zijn dan het licht is noodzakelijk. Hoe gaat men hierbij te werk? Ten eerste moeten er bij het CERN neutrino’s worden gemaakt. Vervolgens worden deze neutrino’s versneld in de richting van Gran Sasso in Italië. Op weg daarheen reizen de neutrino’s dwars door de aarde heen. Gran Sasso ligt 730 kilometer bij het CERN vandaag en dit zou 2,5 milliseconden duren, dat wil zeggen bij de snelheid van het licht. Hierna moeten de deeltjes natuurlijk gevangen worden door meetapparatuur, welke onder andere 1.800 ton lood bevat.
Als men er achter wil komen of neutrino’s sneller reizen dan het licht, moet men bepalen hoe lang de neutrino’s over de reis naar Gran Sasso doen. Maar hoe wordt dit gedaan? Het gaat om het meten van het tijdstip van vertrek en aankomst. Het tijdstip van vertrek lijkt niet erg ingewikkeld om vast te stellen, omdat de stenen en rotsen in het Gran Sasso-bergmassief veel van de storende andere deeltjes opnemen. Hierdoor kan men de aankomst van de neutrino’s vaststellen en kunnen zij de nieuw ontstane deeltjes meten.
Maar nu het opmeten van de vertrektijd. Dat is ingewikkelder, omdat neutrino’s moeilijk te maken zijn. De experts bij het CERN maken snelle protonen. Vervolgens worden deze protonen, met biljoenen tegelijk, door middel van een magneet tegen grafiet geschoten. Deze protonen, ook wel ‘pionen’, gaan vervolgens door een lange pijp (700 meter) en hier vallen ze uiteen in zogenaamde ‘muonen’ en neutrino’s. Bij het CERN kunnen deze pionen heel precies naar de andere kant (VAN WAT??) worden gestuurd. De magneet die hiervoor wordt gebruikt, de ‘neutrinohoorn’, is door een Nederlandse Nobelprijswinnaar, Simon van der Meer, bedacht. Op deze manier kan de vertrektijd van neutrino’s worden gemeten. Dit is echter altijd de vertrektijd van een hele groep neutrino’s. Van deze groep wordt de vertrektijd van de eerste en van de laatst vertrekkende neutrino gemeten.
Toch vrezen veel fysici dat de vertrektijd niet voldoende nauwkeurig kan worden gemeten. Het probleem is dat het om ontzettend kleine waarden van tijd gaat. De neutrino’s kwamen bijvoorbeeld 60 nanoseconden eerder aan dan gedacht, oftewel 60 miljardste seconde. Ieder klein detail dat door de fysici bij het CERN over het hoofd wordt gezien kan al gevolgen hebben voor deze tijdswaarnemingen.
Naar: NRC Next, 24 september 2011.
Als een penalty vóór de overtreding
Als het allemaal waar zou zijn, als… dan is er sprake van een revolutie in de natuurkunde. Het centrale uitgangspunt van de relativiteitstheorie van Einstein is dat voor alle waarnemers licht zich met dezelfde snelheid voortplant en dat deze lichtsnelheid de grootste snelheid is die materie of een signaal kan hebben. De voorspellingen die Einstein op grond van zijn theorie deed, zijn tot nu altijd uitgekomen, óók als ze tegen het gezond verstand ingingen. Als de theorie van Einstein niet zou kloppen, dan zou het mogelijk zijn dat een oorzaak later komt dan het gevolg.
Opgaven:
a) Waarom ontmoet het nieuws uit Genève zo veel scepsis?
b) Wat betekent de krantenkop 'Als een penalty vóór de overtreding'?
c) Geeft deze titel goed de uitkomst van het experiment weer?
d) Toch laat de titel goed zien waarom dit experiment voor de wetenschappers zo verbijsterend is. Licht dat toe.
Het was niet zomaar een onderzoekje. Alles is door en door opnieuw berekend door de onderzoekers. Toch denken de meeste natuurkundigen dat er een fout moet zijn gemaakt. Het is dan ook een bijzonder ingewikkeld experiment.
e) Zoek enkele eigenschappen van neutrino's op.
f) Waarom bestaat het detectieapparaat uit een zeer grote hoeveelheid lood?
g) Laat zien dat een neutrino, die zich met de lichtsnelheid voortplant, 2,5 milliseconden nodig heeft om een afstand van 730 kilometer af te leggen.
h) De neutrino's arriveerden zestig nanoseconde âte vroegâ. Hoeveel meter bedraagt de voorsprong die ze bereikten ten opzichte van licht?
Vertrek- en aankomsttijd van neutrino’s zijn niet direct te meten.
i) Wat is het zwakke punt bij het bepalen van de vertrektijd?
j) En bij het meten van de aankomsttijd?
De bekendmaking van dit onderzoek kwam eigenlijk te vroeg. Het voorlopige resultaat was echter zo spectaculair dat het wel bekend moest raken. Men vraagt nu andere natuurkundigen de uitkomsten nog eens heel goed na te rekenen en om te bedenken of het resultaat ook op andere manier verklaard kan worden. Zoek op internet naar de actuele stand van het onderzoek. Is het raadsel opgelost? Of is bevestigd dat neutrino’s inderdaad sneller dan licht kunnen gaan?
Uitwerking vraag (a)
De theorie van Einstein is door wetenschappers over de hele wereld geaccepteerd. Alle voorspellingen op grond van deze theorie zijn tot nu toe uitgekomen. Als nu uit een onderzoek blijkt dat neutrino’s sneller dan het licht kunnen gaan, dan klopt er iets niet aan die theorie. Dat kunnen natuurkundigen zich haast niet voorstellen.
Uitwerking vraag (b)
In de titel wordt de uitkomst van het experiment vergeleken met een situatie uit het voetbal. Een overtreding kan bestraft worden met een strafschop (penalty). Dus de overtreding is er eerst, dan pas de penalty. De vergelijking zegt: alsof eerst de penalty wordt toegekend en dan pas de overtreding wordt gemaakt. Dat zou inderdaad de wereld op zijn kop zetten.
Uitwerking vraag (c)
Nee. Het neutrino komt niet vóór zijn vertrek aan. Het is in het experiment ook niet zo dat er eerst een aankomend neutrino is en dat er daarna pas een lichtsignaal is. Wat er gebeurd lijkt te zijn, is dat een neutrino zich met grotere snelheid dan de lichtsnelheid verplaatste. De vergelijking in de kop beschrijft dus een andere situatie.
Uitwerking vraag (d)
Als het fundament onder de theorie van Einstein wordt weggehaald, dan vervalt ook het fundament onder de consequentie dat de oorzaak altijd aan het gevolg voorafgaat. Als bij wijze van spreken een penalty zou kunnen worden toegekend vóór de overtreding is gemaakt, dan gaat dat in tegen alles wat wij weten en ervaren.
Uitwerking vraag (e)
Zoals de naam al aangeeft is de elektrische lading van een neutrino nul. Het Italiaanse achtervoegsel '-ino' ('-tje') maakt al duidelijk dat het om een kleintje gaat: de massa van een neutrino is nul of uiterst klein (veel kleiner dan die van een elektron). De richting waarin een neutrino zich beweegt wordt niet beïnvloed door elektrische en magnetische velden. Een neutrino beweegt vrijwel ongehinderd door materie. Uitsluitend bij een directe treffer, bijvoorbeeld met een subatomair deeltje, kan het geabsorbeerd worden (onder invloed van de ‘zwakke kernkracht’).
Uitwerking vraag (f)
Neutrino’s vliegen vrijwel ongehinderd door de aarde. Slechts héél af en toe treft er eentje een atoomkern, waarbij andere deeltjes ontstaan die wel te meten zijn. Lood is een element waarvan de atoomkernen relatief zwaar zijn (atoomnummer 84), waardoor de kans op een treffer iets groter is. Hoe meer lood, hoe groter de kans dat een neutrino ingevangen wordt. Er zijn meer zware elementen, maar aan lood is geen gebrek.
Uitwerking vraag (g)
Δt = Δx / c = 730 * 103 / 3,0 * 10 8 = 2,4 * 10 -3 s = 2,4 ms.
Uitwerking vraag (h)
Δx = c * Δt = 3,0 * 108 * 60 * 10-9 = 18 m.
Uitwerking vraag (i)
De neutrino’s moeten eerst 'gemaakt’ worden. Men produceert eerst protonen en laat die op (koolstofkernen van) g'rafiet botsen. Uit de brokken komen neutrino’s vrij. Het gaat bij het vertrek daarom altijd om een groep neutrino’s, waarvan men alleen de gemiddelde vertrektijd kent. Het verschil tussen de eerste en de laatste bedraagt 10 microseconden. Dat is meer dan honderd keer zo groot als de voorsprong die ze ze ten opzichte van het licht lijken te krijgen.
Uitwerking vraag (j)
Eigenlijk hetzelfde probleem. De neutronen komen in groepjes aan. Het verschil tussen de langzaamste en de snelste is ongeveer tien microseconden. Dat is weer veel meer dan de vermeende voorsprong op licht.
Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.
