• 21/06/2012

OPERA-project: misleidende metingen door falende engineering

'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.

Trefwoorden: #CERN LNGS, #laboratoria, #National Instruments, #neutrino fysica, #OPERA

Lees verder

Magazine

Download het artikel in

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.

Tot 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 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 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 uitlijningsnauwkeurigheid 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 ImagingLab-ingenieurs 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 OPERA-detector 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 GPS-kloksignaal met de OPERA-masterklok 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)
door Arun Veeramani, National Instruments