Astronomie ohne Teleskop – Neutrinos schneller als das Licht (oder auch nicht)

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Von Steve Nerlich in Universe Today – Übersetzt von Harald Horneff

Lage des Gran Sasso OPERA Neutrino Experiments in Italien, das einen Neutrinostrahl aus dem CERN erhält – und das mit mehr als der Lichtgeschwindigkeit; wenn man es glaubt. Quelle: CERN

Die Neuigkeiten, die vom Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) Neutrino Experiment kommen, daß nämlich Neutrinos gemessen wurden, die schneller als das Licht waren, beherrschten die Schlagzeilen der vergangenen Woche – und das zu Recht. Es sind nämlich ein paar sehr robuste Anlagen und Meßgeräte beteiligt, die den Daten eine gewisse Bedeutungsschwere geben.

Die Forscher hatten auch entsprechenden Anlaß, ihre Befunde einer Überprüfung und Begutachtung durch Kollegen unterziehen zu lassen – und zu ihrer Anerkennung – sie haben abseits allen Medienrummels ein ausführliches Papier zum Thema veröffentlicht. Allerdings, so ist berichtet worden, haben einige hochgestellte Mitglieder des OPERA-Forschungsteams es abgelehnt, mit diesem Papier in Verbindung gebracht zu werden, da sie die Veröffentlichung für zu früh erachteten.

Die veröffentlichten Ergebnisse weisen darauf hin, daß die Neutrinos auf eine Entfernung von 730 km 60 Nanosekunden weniger Zeit benötigten als Licht. Aber angesichts der Tatsache, daß Licht für die gleiche Strecke 2.4 Millionen Nanosekunden (= 2.4 Millisekunden) benötigt, hängt eine ganze Menge von diesem vergleichsweise winzigen Unterschied ab.

Es wäre etwas anderes, wenn die Neutrinos mit der 1.5- oder 2-fachen Lichtgeschwindigkeit gestoppt worden wären, aber hier handelt es sich um das 1.0025-fache der Lichtgeschwindigkeit. Und es wäre auch keine Überraschung, wenn die Neutrinos angesichts ihrer Verbindung mit dem Large Hadron Collider mit 99.99 % der Lichtgeschwindigkeit gereist wären. Sollte sich bestätigen, daß die Neutrinos die Lichtgeschwindigkeit übertreffen, wenn auch nur um einen winzigen Betrag, benötigt man größtes Vertrauen in das benutzte Meßsystem. Aber es gibt Gründe, zu bezweifeln, daß ein solches Vertrauen gerechtfertigt ist.

In der Geschwindigkeitsberechnung weist die Entfernungskomponente einen Fehler von weniger als 20 cm über die gesamte Strecke von 730 km oder 0.00003% über den Zeitraum der Datensammlung auf. Das ist gering, aber das Ausmaß, mit dem sich die Neutrinos schneller als das Licht bewegt haben sollen, ist auch nicht viel größer.

Doch hier ist die entscheidende Frage die Flugzeitkomponente in der Geschwindigkeitsberechnung. Die Zeit der Freisetzung der Neutrinos aus der Quelle konnte nur gefolgert werden und ergab sich aus einem 10.5 Mikrosekunden dauernden Protonenbeschuß. Die Protonen stammten vom CERN Super Proton Synchrotron (SPS) und wurden auf ein Graphitziel geschossen, welches dann Neutrinos in Richtung OPERA freisetzt.

Die Forscher schränkten den möglichen Fehler (d.h. die 10.5 Mikrosekunden) erheblich durch den Vergleich der Zeitstreuungen der Protonenfreisetzung des SPS und der Neutrinomessung in OPERA über wiederholte Versuche ein, um eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Emissionszeit der Neutrinos zu bekommen. Aber dies ist in Wirklichkeit nur ein umständlicher Weg um zu sagen, daß man die wahrscheinliche Flugzeit nur mehr oder weniger gut abschätzen konnte. Die Abhängigkeit von GPS-Satelliten bindet an Zeitstempel für die Schritte der Freisetzung und Messung und stellen eine weitere Quelle potentieller Meßfehler dar.

Einiges von der komplizierten Infrastruktur, die man benötigte, um die Flugzeit der Neutrinos im OPERA-Experiment zu folgern. Quelle: Adam et al.

 

Es ist auch wichtig anzumerken, daß es kein Wettlauf war. Die 730 km lange, geradlinige Bahn zu OPERA geht durch die Erdkruste – für Neutrinos nahezu durchsichtig, für Licht aber undurchlässig. Die Reisezeit von Licht ist deshalb aus der Messung der Wegstrecke gefolgert worden. Es gab nie den Fall, daß die Neutrinos beobachtet wurden, einen Lichtstrahl über diese Wegstrecke zu schlagen.

Das eigentliche Problem mit dem OPERA-Experiment liegt darin, daß das rechnerische Übertreffen der Lichtgeschwindigkeit nur einen sehr winzigen Unterschied ergibt, der zudem über eine ziemlich kurze Wegstrecke gemessen worden ist. Wenn das Experiment durch Beschuß eines Neutrinodetektor auf dem Mond wiederholt werden könnte, würde die längere Wegstrecke belastbarere und überzeugendere Daten liefern – da, wenn der OPERA-Effekt real ist, die Neutrinos den Mond sehr viel schneller erreichen sollten als dies ein Lichtstrahl könnte.

Aber jetzt scheint es verfrüht, seine Physikbücher wegzuwerfen.

Weiterführende Literatur (im Internet zu finden unter):

Argumente dafür:

arXiv:1109.4897v1

The OPERA Collaboration: T. Adam et al.

Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam (2011)

Argumente dagegen:

arXiv:1109.6562v1

Andrew G. Cohen und Sheldon L. Glashow

New Constraints on Neutrino Velocities (2011)

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