Energierijke deeltjes die het heelal ingeslingerd worden bij uitbarstingen van gammastraling vertragen mogelijk door quantumzwaartekrachteffecten, melden natuurkundigen. Ze komen later aan dan minder energierijke deeltjes van de zelfde uitbarsting.

De algemene relativiteitstheorie van Einstein beschrijft het gedrag van massa’s op de grote schaal – van vallende appels tot de beweging van sterren en planeten. Voor de kleine schaal van moleculen, atomen en licht hebben we de quantummechanica, die al even ongeëvenaard is. Wat nog ontbreekt een is theorie van de quantumzwaartekracht die het mogelijke quantumgedrag van zwaartekracht op de kleine schaal beschrijft.

Theoretici werken al decennia aan theorieën die quantumzwaartekracht proberen te beschrijven. Maar doordat de effecten die ze voorspellen erg klein zijn, is het tot nu toe niet gelukt om die theorieën te toetsen.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

‘Deze ‘heilige graal’ van de theoretische natuurkunde smacht dus al decennialang naar metingen’, zegt natuurkundige Giovanni Amelino-Camelia van de Universiteit van Napels. ‘Nu beginnen we waarnemingen te verzamelen die ofwel zullen leiden tot een ontdekking, of die het in ieder geval mogelijk maken om zinvolle grenzen te stellen aan bepaald theoretische modellen.’

Vertraging

Een van de dingen die de meeste van deze theorieën voorspellen is dat quantumzwaartekrachteffecten minuscule veranderingen in de vorm van de ruimtetijd veroorzaken. Daardoor vertragen hoogenergetische deeltjes, die met bijna de lichtsnelheid door die ruimtetijd reizen. Hoe hoger de energie van een deeltje, hoe sterker dit effect is, en hoe meer het dus vertraagd wordt.

Dit effect is piepklein, zelfs bij de meest optimistische theoretische modellen en de meest energierijke deeltjes. Maar astrofysici denken dat het meetbaar kan zijn bij hoogenergetische deeltjes die op miljarden lichtjaren afstand ontstaan. De vertraging die over die enorme afstand optreedt, zou kunnen optellen tot een meetbaar latere aankomst op aarde.

Een internationale onderzoeksgroep heeft nu gezocht naar tekenen van die vertraging bij hoogenergetische kosmische neutrino’s die waargenomen zijn door de IceCube-neutrinodetector op Antarctica. ‘Neutrino’s zijn ideaal om de piepkleine snelheidsveranderingen door quantumzwaartekracht te meten, omdat ze onverstoorbaar door het heelal reizen’, vertelt Amelino-Camelia, die het onderzoek leidde. Ze worden niet afgebogen door elektromagnetische velden, zoals geladen deeltjes. En ze verstrooien niet in interstellaire gas- en stofwolken, zoals licht.

Gammaflitsen

De onderzoekers vonden in de IceCube-metingen negen neutrino’s die waarschijnlijk afkomstig zijn van gammaflitsen. Dit zijn krachtige uitbarstingen van gammastraling die ontstaan als zware sterren aan het eind van hun leven exploderen in een supernova, of als twee neutronensterren op elkaar botsen.

De metingen van deze energierijke neutrino’s vergeleken de onderzoekers met waarnemingen van de gammastraling door de ruimtetelescoop Fermi. Ze keken daarbij naar gammastraling met relatief weinig energie, waarbij het effect van de quantumzwaartekracht verwaarloosbaar zou moeten zijn, in vergelijking met het effect dat het op de neutrino’s heeft. De neutrino’s leken inderdaad tot enkele dagen later aan te komen dan de gammastraling. Dat zou kunnen betekenen dat iets ervoor heeft gezorgd dat ze zijn vertraagd.

Omdat er slechts naar een handvol neutrino’s gekeken is, en er onzekerheid in de metingen zit, spreken de onderzoekers nog niet van een ontdekking. Wel levert hun analyse de eerste voorzichtige aanwijzingen dat theorieën die quantumzwaartekrachteffect voorspellen het bij het rechte eind zouden kunnen hebben. Als dit bevestigd wordt, zou dat het eerste observationele bewijs zijn voor het bestaan van quantumzwaartekracht.

Vlaggetje

Andere onderzoekers zijn nog niet overtuigd. Natuurkundige Teppei Katori van Kings College London, die niet betrokken was bij het onderzoek, merkte tegenover vakblad Physics World op dat richting van de gemeten neutrino’s bijzonder lastig te bepalen is. Katori: ‘We weten niet waar deze neutrino’s precies vandaan komen.’ Het is dus niet zeker dat ze inderdaad horen bij gammaflitsen.

Impressie van IceCube en Fermi. Beeld: NASA/Fermi en Aurore Simonnet, Sonoma State University

Amelino-Camelia beaamt dat. ‘Neutrino’s komen niet met een vlaggetje waarop “ik kom van deze gammaflits”. Het is daardoor bijna onmogelijk om met zekerheid te zeggen dat een bepaald neutrino afkomstig is van een gammaflits.’

‘Wij hebben berekend dat de kans klein is dat deze neutrino’s toevallig met deze vertraging vanuit ongeveer dezelfde richting komen als de gammastraling. Maar het kan’, zegt Amelino-Camelia. ‘Het zou niet de eerste keer zijn dat neutrino’s ons voor de gek houden. We hebben meer metingen nodig.’

Die metingen komen eraan. De IceCube-detector wordt uitgebreid, en in de Middellandse Zee bouwen natuurkundigen nog een neutrinodetector. Hun metingen zouden op den duur kunnen leiden tot een goede test voor quantumzwaartekrachttheorieën.