Neutrinos sneller dan het licht?

Neutrinos sneller dan het licht?
Kosmische neutrinos
Ed P.J. van den Heuvel, Universiteit van Amsterdam
24/10/2011
Zon en planeten afgebeeld op dezelfde schaal
Leeftijd zon en planeten: 4,65 miljard jaar
70 % Waterstof(H)
28 % Helium (He)
2 % Zwaardere
elementen
Massa: 330 000
maal de Aarde
Lichtsterkte:
4x10 26 Joules/sec
(Watt)
Jupiter
+
Atoomkern van Waterstof (proton)
++
Atoomkern van Helium (2 protonen en
2 Neutronen), massa: 1/134-ste minder
dan 4 Protonen
Bij samensmelten van 4 protonen tot 1 heliumkern gaat
1/134-ste van de massa verloren: omgezet in energie
volgens Einstein’s formule (benodigde temperatuur: 100
miljoen C)
Omzetting van 1 gram waterstof geeft genoeg energie om
middenklasse auto 1 maal om wereld te laten rijden
De 600 miljoen ton waterstof die de zon per seconde omzet in helium,
zijn 4x 10 38 protonen. Hierbij komen 2 x 10 38 neutrino’s vrij.
Zij nemen 4 procent van de in de zon geproduceerde energie mee, en
vliegen dwars door de zon en de Aarde en haar bewoners heen. Door
elke vierkante centimeter op Aarde passeren per seconde 7x10 10
neutrino’s van de Zon. Niemand merkt hier iets van.
Super Kamiokande, 50 000 ton zuiver water met 13 000 licht-detectoren,
1500 meter onder de grond in de Kamioka mijn
(In 1987 had “Kamiokande II” 3000 ton water met 2048 detectoren)
Licht-detector(fotomultiplicator-buis)
Cerenkov lichtkegel (ring)
uitgezonden door electron dat sneller
dan het licht beweegt in water
electron
neutrino
Gemiddeld wordt in Super-Kamiokande eens per 90
minuten een lichtflits van een zonne-neutrino gezien
Evenals bij Davis (die sinds 1967 metingen deed in een 2 km diepe mijn
in S.-Dakota, USA ) bleken er 3 maal te weinig zonne-neutrino’s te zijn,
t.o.v. de theoretische voorspellingen van de zonnemodellen v. John
Bahcall. Dit blijkt het gevolg te zijn van “neutrino-oscillaties”, waarbij
electron-neutrino’s overgaan in mu-neutrino’s en tau-neutrino’s
Ray Davis, John Bahcall en Masatoshi Koshiba.
In 2002 kregen Davis and Koshiba de Nobel Prijs voor de ontdekking
van het “Solar Neutrino Problem” en hun bijdrage aan de oplossing
hiervan (die voor Koshiba was ook voor de neutrino’s van SN 1987A).
In 2003 ontving Bahcall de Dan David Prize for Astrophysics and
Cosmology (Israel; $ 1 miljoen).
LEVENSDUUR VAN EEN STER: TIJD NODIG OM AL ZIJN
KERNBRANDSTOF TE VERSTOKEN (WATERSTOF =
70% VAN ZIJN MASSA)
ZON: 10 MILJARD JR
HUIDIGE LEEFTIJD:
4.65 MILJARD JAAR
STER VAN 25 ZONSMASSA’S:
VERSTOOKT ZIJN BRANDSTOF 50 000 MAAL
SNELLER: LEEFT DUS
2000 MAAL KORTER:
5 MILJOEN JAAR
Rosette Nevel cluster in Monoceros (in Melkweg) met sterren van ~
25 zonmassa’s: leven maar 5 miljoen jaar. Wat gebeurt er daarna?
Waterstof
atoom
- electron
Atoom bijeengehouden door
sterke aantrekking van de
+ en – electrische ladingen.
+
proton
+ +
neutron
+
Diameter van kleinste electronbaan: 50 000 maal groter dan
diameter van de atoomkern:
Volume kan nog ( 50000)³ maal
verder samengedrukt worden:
dichtheid 100 biljoen maal groter.
Vereist een druk van 10 30 Bar
•
anti-neutrino
Proton en neutron zijn ~ 1840 maal
zwaarder dan electron, neutrino weegt
vrijwel niets (< 16eV)
Druk in centrum van Zon
is “slechts” 1010 Bar
Neutronenster: 420 000 maal massa van
aarde in bol van 20 km diameter
g = 100 miljard maal die op Aarde
Ontsnapsnelheid van oppervlak = 0.5c =
150 000 km/sec
(vergelijk Aarde: 11.2 km/sec)
Energie-vrijmaking bij collapse naar neutronenster:
materie valt met snelheid 0.5c op elkaar en wordt dan gestopt:
2
Ekin = 0.5 M(0.5c) = (1/8)Mc
2
Evenveel energie als de Zon in 100 maal haar
levensduur (10 miljard jaar) uitzendt!
invalsnelheid 0.5c
Totaal 10 58 neutrino’s en anti-neutrino’s
geproduceerd tijdens collapse tot Neutron ster
Deze worden voornamelijk geproduceerd als gevolg van de
enorme hitte (1000 miljard graden K) van het instortende
binnenste van de ster: dit geeft gamma-fotonen, die in
electron+positron paren overgaan, die neutrino+anti-neutrino
paren produceren (zgn “paar- neutrino’s”). Daarnaast vooral ook
“plasma neutrino’s” en URCA neutrino’s.
Al deze neutrino’s nemen 99% van de totale vrijkomende
46
zwaartekrachts energie (10 Joules = evenveel als de Zon in
1000 miljard jaar aan energie zou uitstralen) mee.
Slechts 1 % van de vrijkomende energie komt er uit in de vorm
van de supernova
explosie
Supernova 1987A verscheen op 23 Februari 1987 in de Grote Magelhaense Wolk
Zichtbaar met blote oog, maar 10 keer zwakker dan “normale” SN
Supernova 1987A, 23 Februari 1987
De geexplodeerde ster :
[Sanduleak -69° 202] een “blauwe
superreus” van ca 20 Zonmassa’s
Afstand SN 1987A: 170 000 lichtjaren=
23
1,7 x 10 cm
58
De 10 neutrino’s en anti-neutrino’s passeerden op
Aardafstand door een boloppervlak van 4x10 47 cm².
10
Op Aarde passeerden per cm² : 2,5 x 10 neutrino’s
van deze supernova.
Door het oppervlak van de Kamiokande detector van 225
16
m² passeerden er 5.62x10 neutrino’s. Hiervan werden er
11 gemeten in een tijdvak van 13 seconden!
De IMB detector in de US detecteerde tevens 8 neutrino’s
Aankomsttijden van de neutrinos van SN 1987A op 23 Februari,
gerekend vanaf 07h35m35 sec .
In Kamiokande II en IMB (USA) konden de richtingen van waaruit de
neutrinos kwamen bepaald worden: zij kwamen van beneden door
de Aarde heen, uit de richting van de Grote Magelhaense Wolk
Hoeveel eerder dan het licht zouden de neutrino’s van
SN 1987A op Aarde zijn aangekomen als ze even snel
reisden als de neutrino’s van “Opera”?
Volgens het Opera experiment zou voor de snelheid v gelden:
(v-c)/c = 2,49 (±0,58) x 10 -5
[7.5 km/sec sneller dan licht]
Voor het afleggen van 170 000 lichtjaren was dan
2,49 (±0,58)x 10-5 x (170 000 jaar) = 4,23 (±0,99) jaar MINDER
nodig dan voor het licht. De neutrino’s zouden dan 4,23 jaar
VOOR het licht op Aarde zijn aangekomen!
MAAR HET LICHT VAN DE SUPERNOVA KWAM MINDER DAN EEN
DAG NA DE NEUTRINO’S AAN, dat klopt met de reistijd van de
supernova schokgolf door de ster.
Deze neutrino’s reisden even snel als het licht!!
Niets lijkt zozeer op een nieuwe ontdekking
als een meetfout