Toen een internationaal team van meer dan honderd wetenschappers in september de wereld durfde te vertellen dat neutrino's 60 nanoseconde sneller dan het licht reizen tussen Genève en Gran Sasso, was een veel gehoord kritiekpunt dat, strikt genomen, de reistijd van geen enkel neutrino was gemeten, slechts de reistijd van hele groepen neutrino's.
Door de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller die de neutrino's produceert, anders in te stellen, konden ze met nieuwe metingen in oktober dit bezwaar ondervangen.

Het zwakke punt zat in de start van het 730 kilometer lange traject. De neutrino's ontstaan met miljarden tegelijk in de Large Hadron Collider (LHC), de grote deeltjesversneller die eigenlijk bedoeld is om het Higgs-deeltje te vinden. De LHC versnelt eerst protonen in een cirkelvormige vacuümbuis tot een zeer hoge energie, en wanneer men die op een metalen trefplaat laat botsen, produceren kernreacties onder andere neutrino's, die in dezelfde richting doorreizen als de gestopte protonen.

De protonenbundel van de LHC is gepulst, wat wil zeggen dat er pakketjes protonen in de vacuümbuis rondcirkelen. Zo'n pakketje doet er van kop tot staart ongeveer 10 microseconde over om op de trefplaat in te slaan, en dat is ook het tijdsinterval waarin de puls neutrino's ontstaat.

Omdat neutrino's heel moeilijk te vangen zijn – de meesten vliegen zelfs ongehinderd door de hele aardbol heen – ving de grote OPERA-detector in twee jaar tijd slechts 16.000 neutrino's op van de biljarden die de LHC er produceerde.

Individueel
De detector registreert tot op de nanoseconde nauwkeurig wanneer een neutrino gevangen wordt, maar niemand weet of dit neutrino uit de kop, de staart of het middenstuk van de desbetreffende puls kwam. Voor individuele neutrino's was de onzekerheid in de reistijd daarom minstens 10 microseconde, ofwel 10.000 nanoseconde.
Hoe ontdek je dan een anomalie in de reistijd van 60 nanoseconde? Door statistiek. Als je de kop- en staarttijd van elke puls uit de LHC precies weet, kun je – onder aanname dat de neutrino's met de lichtsnelheid reizen - voorspellen wanneer er wel, en wanneer er geen kans is om in Gran Sasso een neutrino op te vangen.

In de praktijk kwam dat neer op het over elkaar heen schuiven van twee curves: één die voor alle pulsen gezamenlijk aangeeft hoeveel protonen er verdeeld over het kop-staart tijdsinterval op de trefplaat inslaan, en één met de tellingen van de 16.000 neutrino-detecties. Het relatieve verschil tussen de twee curves is 60/10.000, ofwel 0,006. Dat is met het blote oog in een grafiek niet te zien, de anomalie rolt uit de statistische analyse van de cijfers.

Kortere pulsen
De OPERA-onderzoekers beseften na de storm van publiciteit in september ook dat dit een zwak punt was. De oplossing: kortere pulsen protonen. Gedurende tien dagen in oktober produceerde de LHC op verzoek van OPERA pulsen protonen die van kop tot staart 2 nanoseconden lang waren, met 500 nanoseconden tussenruimte tussen de pulsen.
In die tien dagen kwamen maar 20 neutrino's in de OPERA-detector terecht. Dat lijkt weinig, vergeleken met de 16.000 neutrino's waarop het eerste resultaat gebaseerd was, maar de statistiek is in dit geval heel anders.

Omdat de hele puls veel korter duurt dan de tijdsanomalie, terwijl de afstand tussen de pulsen veel groter is dan de anomalie, komt het er op neer dat je nu wel van elk gedetecteerd neutrino individueel de reistijd bepaalt, met een onzekerheid van maar 2 nanoseconde (wegens andere foutenbronnen is de totale meetonzekerheid 10 nanoseconde, net als in september).

Het OPERA-team bracht gisteren naar buiten dat de 'oktober-neutrino's' precies dezelfde anomalie vertonen als eerst: ze arriveren 60 nanoseconde eerder in Gran Sasso dan een lichtstraal in vacuüm zou doen.

Daarmee is een belangrijke kandidaat voor een systematische fout in de metingen onschadelijk gemaakt. Sommige wetenschappers van het OPERA-team die nog niet als co-auteur vermeld wilden worden bij de publicatie in september, zijn dankzij de oktober-metingen nu ook 'om'.

Inmiddels is het Amerikaans/Canadese MINOS-team, dat neutrino's uit de deeltjesversneller van Fermilab bij Chicago detecteert, druk bezig eenzelfde experiment op te zetten als OPERA. Ze verwachten de eerste resultaten al in het voorjaar van 2012. Dan wordt het allemaal nog veel spannender voor Einstein en zijn relativiteitstheorie.