Misleidende metingen door falende engineering

ENGINEERINGnet.BE
ONDERZOEK & ONTWIKKELING
‘Serendipiteit’ is de ontdekking van iets
dat je gelukkig maakt. Dat overkwam
wetenschappers van het Gran Sasso
National Laboratory in Italië in de
beginfaze van de OPERA-experimenten.
Ze waren euforisch toen ze tijdens de
metingen vaststelden dat er deeltjes
zouden bestaan - neutrino’s - die blijkbaar
sneller reizen dan het licht. Dat zou de
wetten van de fysica op losse schroeven
zetten. Maar het ging om ... falende
engineering.
door Arun Veeramani, National Instruments
OPERA-project van CERN en LNGS
Misleidende metingen
door falende engineering
T
ot nu werd aangenomen dat licht het snelste
‘ding’ in het heelal was. Dat vormt de basis
van Einstein’s relativiteitstheorie. Wanneer
bewezen zou worden dat er deeltjes bestaan - neutrino’s - die sneller reizen dan het licht, kunnen
zelfs de wildste science fiction-fantasieën, zoals
tijdreizen en nieuwe dimensies - in theorie
werkelijkheid worden. Om de euforie van de
wetenschappers te begrijpen bij hun ontdekking,
dient u het OPERA-experiment (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) en haar
doelstellingen te begrijpen.
Het OPERA-experiment
Neutrino’s vormen de fundamentele deeltjes
waaruit het heelal bestaat, en lijken erg op elektronen. In tegenstelling tot elektronen zijn neutrino’s
echter elektrisch ongeladen. Er zijn drie soorten,
of ‘smaken’, neutrino’s die elk gerelateerd zijn
aan een geladen deeltje: een elektron en twee
zwaardere versies, de tau en de muon. Doel van
het OPERA-experiment was om het fenomeen
‘neutrino-oscillaties’ te testen, waarbij, onder
Foto bovenaan: de OPERA-detector in het
au Gran Sasso National Laboratory (LNGS).
de juiste omstandigheden, één soort
neutrino transmuteert naar een andere
smaak. Om dit te verifiëren, werkte de
Europese Organisatie voor Nucleair
Onderzoek, beter bekend als CERN,
samen met het LNGS-laboratorium in
Italië. Neutrino-oscillatie is een belangrijk onderzoek naar deeltjesfysica dat
wetenschappers helpt de aard van de
stof en de krachten die erop worden
uitgeoefend beter te begrijpen en die,
in het algemeen, de fundamentele aard
van onderliggende natuurkunde helpt
verduidelijken.
Om de neutrino-oscillaties te onderzoeken, produceerden onderzoekers
in CERN (in Geneve, Zwitserland)
een zeer intense straal van muon neutrino’s met een hoge energie. Deze
straal wordt op de OPERA-detector
in het ondergrondse laboratorium van
LNGS, 700 kilometer verderop in het
Italiaanse Gran Sassos, gericht. Het doel
van de OPERA-detector is om tijdens
de drie milliseconden durende reis,
11 kilometer onder de grond en 730
kilometer door de aardkorst van Geneve
naar Grand Sasso, de oscillatie van
muon neutrino’s te controleren op tau
neutrino’s. Omdat neutrino’s elektrisch
neutraal zijn, hebben de elektromagnetische krachten die werken op de geladen
deeltjes, zoals elektronen en protonen,
geen invloed op ze. Neutrino’s worden
alleen beïnvloed door de zwakke kernkracht en kunnen daardoor grote afstanden door stof reizen zonder aangetast
te worden. Dankzij deze eigenschap
kunnen wetenschappers de neutrino’s
door de aardkorst in de richting van
Gran Sasso sturen zonder daarvoor een
speciale tunnel of kabel te hebben.
Om gebeurtenissen in neutrino’s te
controleren, worden ‘bouwstenen’ van
fotografische emulsielaagjes, verweven met loodplaatjes, vervaardigd om
muren te vormen die elk 3.328 van deze
bouwstenen bevatten. Iedere bouwsteen
bestaat uit 57 emulsielaagjes en loodplaatjes. Achter elk van de 62 muren
wordt een plastic scintillator geplaatst
om in real-time het plaatsvinden van
een neutrinogebeurtenis te detecteren.
Dit ‘doelwit’ wordt aangevuld door
ENGINEERINGNET MAGAZINE - juni 2012 41
ENGINEERINGNET.BE
onderzoek&ontwikkeling
trackers, spectrometers en een ondersteunende
infrastructuur. Het totale gewicht van deze massieve detector is 1.800 ton. Deze gigantische
detector is noodzakelijk omdat de neutrino’s
niet worden beïnvloed door elektromagnetische
krachten en bovendien een erg zwakke interactie
met stoffen hebben.
De detector is een geweldige massa van verschillende materialen. Onderzoekers moeten
daarom zorgvuldig te werk gaan bij het samenstellen van de verschillende componenten. Zelfs
de kleinste uitlijningsfout van de dunne fotografische laagjes en loodplaatjes heeft voor gevolg
dat de detector de weg die de neutrino’s afleggen
en de interacties van neutrino’s niet accuraat kan
meten. Om nauwkeurige resultaten te krijgen,
dienen de bouwstenen en muren uitgelijnd te zijn
met een nauwkeurigheid van 0.05 mm (50 µ).
Visiesystemen ingeschakeld
Om de bouwstenen te construeren, hadden de
ingenieurs een productiecel met antropomorfische robots ontworpen. Bij deze initiële installatie was echter geen machinevisie betrokken.
De robots waren dus blind en al in de beginfaze
toonden tests aan dat de vereiste 50 micron uitlij-
Het prototype van het machinevisiesysteem, met een PXI-systeem en een NI
frame grabber.
Detector met een
uitlijningsprecisie van
50 micron...
LEP - LHC
SPS
NEUTR
INO B
PS
EAM
Germany
France
Austria
Switzerland
CERN
Italy
732 Km
San Grasso
De onderzoekers van het CERN in Geneve genereren een hoogenergetische straal van
muon neutrinos. Deze straal is gericht op de OPERA-detector in het ondergrondse
laboratorium van LNGS op 700 km afstand in het Italiaanse Gran Sasso.
42
ENGINEERINGNET MAGAZINE - juni 2012
ningsnauwkeurigheid niet werd gehaald.
ImagingLab, een partner van National
Instruments, kreeg daarom de taak op
zoek te gaan naar technische oplossingen om de vereiste nauwkeurigheid
toch te realiseren. Dat bedrijf 'retrofitte'
de productiecel met een machinevisiesysteem. Via die methode krijgt de
robotcontroller tijdens de assemblage
van de bouwstenen onmiddelijk correctieve feedback over eventuele positioneringsfouten. Het systeem moest
compact en mechanisch erg stabiel zijn
en een resolutie van meer dan 50 micron
hebben. Omdat gewoon licht niet mogelijk is - dat zou de fotografische laagjes
aantasten - besloten de ImagingLabingenieurs gebruik te maken van 'nabij
infrarood'-verlichting op voldoende
afstand van de emulsieplaatjes. Voor
de beeldopnamen zelf werden twee
CCD-camera’s ingeschakeld. Het hele
proces werkt als volgt. De beeldanalysesoftware voert een serie metingen
uit, zoals het vastleggen van de positie
van de rand van de laag, van de
uitlijning en verticaliteit van de
stapel, en van de montagefouten. De positiegegevens worden
vervolgens terug gestuurd naar
de robotcontroller (de individuele plaatjes worden door middel
van een vacuüm op hun plaats
gehouden). Restfouten worden
opgeslagen en gebruikt om de
scanvolgorde van een opnameanalyse met meerdere plaatjes
van een neutrino-gebeurtenis te
compenseren.
Sneller dan het
licht?
Om de neutrinopuls richting
OPERA te genereren, gebruiken de onderzoekers een protonpuls. Ze meten het exacte
tijdstip waarop de neutrino’s
zijn gelanceerd via een hoge
snelheidsdigitizer (van National
Instruments). Een GPS-signaal
synchroniseert de timing van
de neutrino pulsgenerator bij
zowel CERN als de OPERAdetector bij LNGS. En daar liep
het fout. Uit de eerst metingen
bleek namelijk dat de neutrino’s
60 nanoseconden minder nodig
hadden dan een lichtstraal om
die afstand te overbruggen. Was
Einstein’s relativiteitstheorie
ontkracht? 60 nanoseconden
lijkt niet veel, maar is statistisch
zo significant dat de wetenschappers gedwongen werden
het experiment talloze keren
te herhalen en de technische
infrastructuur minutieus te
controleren. Dat laatste bracht
een - heel alledaagse - installatiefout aan het licht: een losse
glasvezelkabel, die het GPSkloksignaal met de OPERAmasterklok verbindt, zorgde
voor een onderschatting van
de vluchttijd van de neutrino’s.
Er werd zelfs nog een tweede
technische fout ontdekt: doordat een lokale oscillator te snel
draaide, gaf de meting een te
hoge snelheid van neutrino’s
aan. Maar de belangrijkste van
de twee mankementen is de
’losse glasvezelkabel’. Verdere
experimenten zijn nu gepland.
En als extra verificatie zal in
de VS Fermilab bovendien
een soortgelijk experiment
met bestaande infrastructuren
uitvoeren.
Is Einsteins relativiteitstheorie dus in gevaar? Helaas
voor de betrokken wetenschappers niet. Het OPERA-experiment dat was bedoeld om
neutrino-oscillaties te onderzoeken, leek in eerste instantie
de fundamentele natuurkundewetten te breken, echter nu de
technische fouten in de setup
van het experiment worden
gecorrigeerd, verwachten de
wetenschappers niet dat de
neutrino’s sneller dan het licht
zullen reizen.
Maar het zijn hoe dan ook
opwindende tijden voor de
natuurkundige gemeenschap.
Naast het OPERA-experiment
lopen op dit moment bijvoorbeeld nog verschillende andere
veelbelovende projecten zoals
de Higgs Boson-experimenten
bij de Large Hadron Collider
(LHC) van het CERN en het
ITER-onderzoek naar kernfusie. << (foto’s: CERN, National
Instruments)
Arun Veeramani is senior market development
manager voor de tak Wetenschap en grote fysica bij
National Instruments