Enkele duizenden sensoren verspreid over een vierkante kilometer nabij de Zuidpool hebben de taak een van de grote openstaande vragen in de natuurkunde te beantwoorden: bestaat kwantumzwaartekracht? De sensoren volgen neutrino’s – deeltjes zonder elektrische lading en vrijwel zonder massa – die vanuit de ruimte op de aarde aankomen. Een team van het Niels Bohr Instituut (NBI), Universiteit van Kopenhagen, heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van de methode die gebruik maakt van neutrinogegevens om te onthullen of kwantumzwaartekracht bestaat.
“Als, zoals wij geloven, kwantumzwaartekracht inderdaad bestaat, zal dit bijdragen aan het verenigen van de huidige twee werelden in de natuurkunde. Tegenwoordig beschrijft de klassieke natuurkunde de verschijnselen in onze normale omgeving, zoals de zwaartekracht, terwijl de atomaire wereld alleen kan worden beschreven met behulp van de kwantummechanica.
“De eenwording van de kwantumtheorie en de zwaartekracht blijft een van de meest openstaande uitdagingen in de fundamentele natuurkunde. Het zou heel bevredigend zijn als we daaraan zouden kunnen bijdragen”, zegt Tom Stuttard, universitair docent bij het NBI.
Stuttard is co-auteur van een artikel gepubliceerd door het tijdschrift Natuurfysica. Het artikel presenteert resultaten uit een groot onderzoek door het NBI-team en Amerikaanse collega's. Er zijn meer dan 300,000 neutrino's bestudeerd.
Dit zijn echter geen neutrino’s van het meest interessante type, afkomstig uit bronnen in de verre ruimte. De neutrino's in dit onderzoek zijn ontstaan in de atmosfeer van de aarde, toen hoogenergetische deeltjes uit de ruimte in botsing kwamen met stikstof of andere moleculen.
“Kijken naar neutrino’s die afkomstig zijn uit de atmosfeer van de aarde heeft het praktische voordeel dat ze veel vaker voorkomen dan hun broers en zussen uit de ruimte. We hadden gegevens van veel neutrino's nodig om onze methodologie te valideren. Dit is inmiddels gerealiseerd. We zijn dus klaar om de volgende fase in te gaan waarin we neutrino’s vanuit de ruimte gaan bestuderen”, zegt Stuttard.
Ongestoord door de aarde reizen
Het IceCube Neutrino Observatorium bevindt zich naast het Zuidpoolstation Amundsen-Scott op Antarctica. In tegenstelling tot de meeste andere faciliteiten op het gebied van astronomie en astrofysica werkt IceCube het beste voor het observeren van de ruimte aan de andere kant van de aarde, dat wil zeggen het noordelijk halfrond. Dit komt omdat, hoewel het neutrino perfect in staat is onze planeet – en zelfs de hete, dichte kern – binnen te dringen, andere deeltjes zullen worden tegengehouden, en het signaal dus veel schoner is voor neutrino’s die van het noordelijk halfrond komen.
De IceCube-faciliteit wordt beheerd door de Universiteit van Wisconsin-Madison, VS. Meer dan 300 wetenschappers uit landen over de hele wereld waren betrokken bij de IceCube-samenwerking. De Universiteit van Kopenhagen is een van de ruim vijftig universiteiten met een IceCube-centrum voor neutrinostudies.
Omdat het neutrino geen elektrische lading heeft en vrijwel massaloos is, wordt het niet verstoord door elektromagnetische en sterke nucleaire krachten, waardoor het in zijn oorspronkelijke staat miljarden lichtjaren door het universum kan reizen.
De hamvraag is of de eigenschappen van het neutrino feitelijk volledig onveranderd blijven als het over grote afstanden reist, of dat er toch kleine veranderingen merkbaar zijn.
‘Als het neutrino de subtiele veranderingen ondergaat die we vermoeden, zou dit het eerste sterke bewijs zijn van kwantumzwaartekracht’, zegt Stuttard.
De neutrino is verkrijgbaar in drie smaken
Om te begrijpen naar welke veranderingen in neutrino-eigenschappen het team op zoek is, is enige achtergrondinformatie nodig. Hoewel we het een deeltje noemen, zijn wat we waarnemen als een neutrino eigenlijk drie deeltjes die samen worden geproduceerd, in de kwantummechanica bekend als superpositie.
Het neutrino kan drie fundamentele configuraties hebben – smaken zoals ze door natuurkundigen worden genoemd – namelijk elektron, muon en tau. Welke van deze configuraties we waarnemen, verandert terwijl het neutrino reist, een werkelijk vreemd fenomeen dat bekend staat als neutrino-oscillaties. Dit kwantumgedrag wordt over duizenden kilometers of meer gehandhaafd, wat kwantumcoherentie wordt genoemd.
“Bij de meeste experimenten wordt de samenhang snel verbroken. Maar er wordt aangenomen dat dit niet wordt veroorzaakt door kwantumzwaartekracht. Het is gewoon heel moeilijk om perfecte omstandigheden te creëren in een laboratorium. Je wilt een perfect vacuüm, maar op de een of andere manier slagen er een paar moleculen erin om naar binnen te sluipen, enz.
‘Neutrino’s zijn daarentegen bijzonder omdat ze eenvoudigweg niet worden beïnvloed door de materie om hen heen. We weten dus dat als de coherentie wordt verbroken, dit niet te wijten is aan tekortkomingen in de door de mens gemaakte experimentele opstelling’, legt Stuttard uit.
Veel collega's waren sceptisch
Gevraagd of de resultaten van het onderzoek gepubliceerd in Natuurfysica waren zoals verwacht, antwoordt de onderzoeker: “We bevinden ons in een zeldzame categorie van wetenschappelijke projecten, namelijk experimenten waarvoor geen vaststaand theoretisch raamwerk bestaat. We wisten dus gewoon niet wat we konden verwachten. We wisten echter dat we konden zoeken naar enkele van de algemene eigenschappen die we van een kwantumtheorie van de zwaartekracht zouden verwachten.’
“Hoewel we de hoop hadden op veranderingen die verband houden met de kwantumzwaartekracht, sluit het feit dat we ze niet hebben gezien helemaal niet uit dat ze echt zijn. Wanneer een atmosferisch neutrino wordt gedetecteerd in de Antarctische faciliteit, zal het doorgaans door de aarde zijn gereisd. Dat betekent ongeveer 12,700 km – een zeer korte afstand vergeleken met neutrino's die hun oorsprong vinden in het verre heelal. Blijkbaar is er een veel langere afstand nodig voordat de kwantumzwaartekracht impact kan hebben, als die al bestaat”, zegt Stuttard, waarbij hij opmerkt dat het hoofddoel van het onderzoek het vaststellen van de methodologie was.
“Jarenlang hebben veel natuurkundigen getwijfeld of experimenten ooit de kwantumzwaartekracht zouden kunnen testen. Onze analyse laat zien dat dit inderdaad mogelijk is, en met toekomstige metingen met astrofysische neutrino’s en de komende tien jaar hopen we deze fundamentele vraag eindelijk te kunnen beantwoorden.”