Schneller als das Licht
24. September 2011, 14:54
Uhr
Als Physikstudent wird man im Laufe des Studiums und der damit verbundenen Abfolge von mündlichen Prüfungen darauf trainiert, mit einem speziellen Typ von Fangfragen souverän umzugehen. Dieser Fragentyp hat die Struktur: „X ist schneller als das Licht. Steht dies im Konflikt mit der Speziellen Relativitätstheorie?" X kann dabei zum Beispiel die Phasengeschwindigkeit eines elektromagnetischen Signals sein, oder die kosmologische Ausdehnung des Universums oder Reaktionen eines verschränkten quantenmechanischen Systems. Als Physikstudent weiß man dann, was zu antworten ist: natürlich steht das genannte Phänomen nicht im Konflikt mit der Relativitätstheorie, da Einsteins Relativitätstheorie zu den am besten und am erfolgreichsten getesteten Theorien überhaupt gehört. Typischerweise liegt der Trick darin, zu präzisieren dass die Geschwindigkeitsbegrenzung der Speziellen Relativitätstheorie sich auf eine Signalübertragung bezieht, die im Fall des fraglichen Beispiels nicht möglich ist. Im Fall elektromagnetischer Signale braucht man zur Informationsübertragung zum Beispiel immer ein ganzes Wellenpaket, und das bewegt sich eben nicht mit Überlichtgeschwindigkeit, sondern mit der langsameren Gruppengeschwindigkeit.
Die Überzeugung, dass ich mit dieser im Studium anerzogenen Antwortstrategie bestens auf mein weiteres Leben als Physikerin vorbereitet sein würde, wurde vorgestern plötzlich ins Wanken gebracht. Über alle möglichen elektronischen und direkten Informationswege prasselte die Sensationsmeldung auf die Physiker ein: „Die bisher präziseste Messung der Neutrino-Geschwindigkeit hat ergeben, dass Neutrinos schneller sind als Licht." Und diesmal gab es keinen Trick bei der Beantwortung der Frage, ob dies im Konflikt mit Einsteins Relativitätstheorie befindet. Die Antwort ist: „Ja". Genauer: „Ja, aber..." beziehungsweise „Ja, wenn...". Es wäre eine Sensation, wenn sich die Messung bestätigen sollte. Wenn die Fehlerabschätzungen korrekt sein sollten und den Experimentatoren kein systematischer Fehler unterlaufen ist, der im Rahmen der bisherigen Tests und Überprüfungen übersehen wurde.
Nach dem ersten Wust wilder Gerüchte und Mutmaßungen, die sich im Internet epidemie-artig ausbreiteten, gab es am gestrigen Nachmittag eine Pressemeldung vom Cern „ OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from Cern to Gran Sasso", mit der Einladung zu einem per Livestream vom Cern übertragenen Seminar, bei dem die Ergebnisse vorgestellt werden sollten. Was war also gemessen worden?
Schematische Darstellung der Neutrino-Messungen
Im Vergleich zu den hochgradig komplexen und theoriegeladenen Experimenten, die man ansonsten aus der Teilchenphysik gewöhnt ist, scheint die Messung einer Geschwindigkeit auf den ersten Blick relativ überschaubar. Alles was man im Prinzip dafür bestimmen muss, ist zum einen die Messung der Weglänge und zum anderen die Messung der für die Bewältigung dieser Strecke benötigten Zeit. Das ganze wird natürlich entsprechend komplizierter, wenn es bei der Geschwindigkeitsmessung um Neutrinos geht, die Strecke dem 730 Kilometer großen Abstand vom Cern bei Genf zum unterirdischen Gran Sasso Laboratory in Italien entspricht und die Zeitmessung eine Genauigkeit im Nanosekundenbereich erfordert.
Darüber hinaus wird die Messung natürlich auch dadurch erschwert, dass man nicht einfach einzelne Neutrino auf ihrem Weg aus der Schweiz nach Italien verfolgen kann, sondern statistisch an einer großen Menge von Teilchen forschen muss, deren Wege man individuell nicht kennt. Zur Erzeugung der Neutrinos werden am Cern zunächst Protonen in einem 6,9 Kilomenter langen Synchrotron-Ringbeschleuniger („Super Proton Synchrotron") auf hohe Energien beschleunigt. Aus diesem Beschleuniger werden dann Protonenpakete ausgekoppelt, die jeweils 10,5 Mikrosekunden lang sind. Mit anderen Worten: die Protonen haben jeweils 10,5 Mikrosekunden lang Zeit, den Beschleuniger zu verlassen. Daraufhin werden die Protonen auf ein Graphit-Target gelenkt und erzeugen hier geladene Sekundär-Mesonen, die fokussiert und in einen ein Kilometer langen Vakuum-Tunnel gelenkt werden, wo sie im Flug in Neutrinos zerfallen. Der Neutrino-Strahl besteht fast ausschließlich aus einer der drei verschienen Neutrino-Arten, den Myon-Neutrinos. Neutrinos sind als Elementarteilchen insbesondere dafür bekannt, dass sie nur schwach wechselwirken, so dass sie sich praktisch ungestört ausbreiten können. Insbesondere werden sie daher auch auf ihrer Reise durch die Erdschichten zwischen Schweiz und Italien nicht aufgehalten oder abgelenkt. Am OPERA Neutrino Detektor im Gran Sasso Labor, das sich zur Abschirmung von störender kosmischer Strahlung unter einem 1400 Meter hohen Gebirgsmassiv befindet, werden die Neutrinos dann in zwei jeweils 625 Tonnen schweren Blei-Targets zu Reaktionen veranlasst und diese dann genau detektiert und vermessen.
Letztendlich bekommt man also eine zeitliche Verteilung von detektierten Neutrino-Ereignissen in Gran Sasso, von denen man weiß, dass sie von dem Protonenpaket hervorgerufen wurden, das am Cern am Ausgang des Synchrotron-Rings auf die Reise geschickt wurde. Allerdings weiß man nicht, welches der Protonen im dem 10,5 Mikrosekunden dauernden Puls am Cern für welche individuelle Neutrino-Detektion tatsächlich verantwortlich ist. Eine bloße Mittelung der Ereignisse würde die Genauigkeit der Messung zerstören, die Forscher mussten sich daher eine andere Methode überlegen, wie sie die ankommenden Neutrinos mit den erzeugten Protonen identifizieren konnten. Dafür wurde die Form der Protonenpulse am Cern aufgezeichnet, das heißt die Anzahl der Protonen pro Zeitintervall während der Auskopplung. Daraus wurde die Wahrscheinlichkeit ermittelt, mit der Neutrinos zu einer bestimmten Zeit am Cern emittiert wurden. Am Anfang des Pulses steigt die Wahrscheinlichkeit beispielsweise stark an und schwankt dann während der Dauer des Pulses, da der Protonenstrahl am Cern nicht völlig gleichmäßig ist (siehe Abbildung).
Abbildung aus dem ArXiv-Paper
Die Idee der Forscher war nun, dass die Form dieser Wahrscheinlichkeitsfunktion statistisch der Form entsprechen muss, die sich ergibt, wenn man die detektierten Neutrino-Ereignisse in Gran Sasso über der Zeit aufträgt, verschoben um die Dauer der Signalübertragung. Mit dieser Methode lässt sich demnach tatsächlich eine Bestimmung der Reisezeit der Neutrinos mit einer Genauigkeit im Nanosekunden-Bereich erzielen. Die für eine verlässliche Statistik notwendigen Daten wurden vom OPERA-Team in den Jahren 2009, 2010 und 2011 gemessen und ergaben letztendlich 16111 Neutrino-Detektionen, entsprechend 1020 Protonen-Targetkollisionen am Cern.
Nachdem auf statistische Art und Weise das Problem der Identifikation von Start- und Zielmessungen gelöst ist, ist man damit nun allerdings wieder beim Problem der hoch-präzisen Zeit- und Streckenmessung angekommen. Denn wenn man die Reisezeit der Neutrinos mit der des Lichts vergleichen will, muss man genau wissen, was für eine Strecke das Licht zurückgelegt hat. Außerdem muss man wissen, welche Verzögerungen des experimentellen Zeitsignals im Aufbau auftreten und man braucht offensichtlich eine sehr genaue Synchronisation der Uhren am Cern und in Gran Sasso.
Für die Bestimmung der Streckenlänge zwischen dem Punkt, an dem am Cern die zeitliche Struktur des Protonenpakets gemessen wird, und dem OPERA-Detektor, wurde seit 2010 mithilfe von GPS-Technik eine speziell dafür vorgesehene Messkampagne durchgeführt. Das primäre Problem war dabei nicht die Genauigkeit der Positionsbestimmung. Hier ist die Technik bereits entsprechend weit entwickelt, sondern die Herausforderung, diese an der Erdoberfläche ausgeführten Messungen auf das tief unter einem Berg gelegene Gran Sasso Labor zu beziehen. Gemessen wurde letztendlich an den beiden Ausgängen des Gran-Sasso-Tunnels. Die Ergebnisse wurden dann durch Triangulation auf die unterirdische Position extrapoliert. Diese Komplikation ist verantwortlich für die 20 Zentimeter Messungenauigkeit der 730 Kilometer langen Strecke.
Die Messungen wurden schon einmal 1998 durchgeführt, als das Experiment eingerichtet wurde und in den jüngsten GPS-Messungen bestätigt. Die präsentierten täglichen Positionsmessungen zeigen kleinste Bewegungen der Erdkruste, der permanenten Kontinentaldrift sowie eine Verschiebung der Messstation um sieben Zentimeter während eines Erdbebens im April 2009 (Abbildung).
Verschiebungen der Erdkruste nach dem Erdbeben wurden exakt vermessen. Abbildung ArXiv-Paper
Die Zeitsynchronisation zwischen Cern und Gran Sasso wird ebenfalls durch ein GPS-System hergestellt. Da das ursprüngliche Standard-GPS-System nicht die erforderliche Genauigkeit aufwies, wurden die Timing-Systeme an beiden Orten extra zu diesem Zweck 2008 mit neuen GPS Receivern und Cäsium-Uhren aufgerüstet. Kalibriert wurde dieses System erst vom Schweizer Metrologie Institut und es wurde eine Synchronisation auf dem Level von Nanosekunden zwischen Cern und Gran Sasso hergestellt, die noch einmal durch die Physikalisch-Technische-Bundesanstalt unabhängig überprüft wurde. Dieses synchronisierte Zeitsignal muss an die Orte im experimentellen Aufbau transportiert werden, an denen Zeitmarken gesetzt werden. Die entsprechenden Verzögerungen des Zeitsignals wurden durch die Wissenschaftler anhand verschiedener, voneinander unabhängiger Methoden gemessen. In Gran Sasso wurde außerdem genau bestimmt und simuliert, wie der Zeitpunkt des ersten Neutrino-Aufpralls im Detektor gemessen werden kann.
Die verschiedenen experimentellen Puzzlesteine wurden erst zusammengesetzt, als alle Informationen mit der geforderten Genauigkeit bekannt waren. Vorher hatte man eine „blinde Analyse" durchgeführt, bei der man von bewusst falschen Setup-Daten ausgegangen war. Die Verteilung der Neutrino-Detektionen wurden mit der aus der Protonenemission erlangten Wahrscheinlichkeitskurve mathematisch bestmöglich in Übereinstimmung gebracht („maximum likelihood procedure"), so dass man unter Berücksichtigung der Zeitverzögerungen im Versuchsaufbau die Reisedauer der Neutrinos ermitteln konnte. Der Vergleich mit der Reisedauer des Lichts brachte daraufhin das erstaunliche Resultat, dass die Myon-Neutrinos 61 Nanosekunden früher in Gran Sasso ankommen als das Licht. Der Fehler dieser Messung liegt statistisch und systematisch bei etwa sieben Nanosekunden.
Wenn man daraus eine Aussage über die Geschwindigkeit der Neutrinos ableiten will, muss man die zugrunde liegende Distanz auf den Punkt anpassen, an dem im Mittel die Neutrinos am Cern im Zerfallstunnel erzeugt werden (während die Distanz im Rahmen der restlichen Analyse im Cern am Punkt des Aufpralls der Protonen auf das Graphit-Target gemessen wurde. Für die Ermittlung der Reisezeit der Neutrinos spielt die Statistik im Zerfallstunnel keine Rolle). Dies ergibt einen relativen Unterschied der Neutrino-Geschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit von 0,00003 mit einer statistisch hohen Signifikanz. Die Messungen wurden außerdem mit Neutrinos verschiedener Energie durchgeführt, um eine mögliche Energie-Abhängigkeit der Reisezeit zu prüfen. Diese Messungen gaben keine Anhaltspunkte für eine solche Abhängigkeit.
Das OPERA-Experiment in 1400 Metern Tiefe. Foto: Gran Sasso National Laboratory
Die Präsentation der Ergebnisse am Freitag im Cern endete mit der Aussage, dass das Team nun sechs Monate damit verbracht habe, die Ergebnisse nachzuprüfen und nach möglichen Fehlern zu suchen. Die Präsentation dieser Anomalie solle nun ein Aufruf sein, dieses Ergebnis unabhängig zu prüfen und zu untersuchen. Dario Autiero vom OPERA-Team beendete seinen gut einstündigen Vortrag mit den Worten: „Abschließend muss ich Worte der Vorsicht von uns allen hinzufügen. Trotz der hohen Signifikanz dieser Messung und der Stabilität der Analyse. Potentiell gibt es hier eine sehr starke Auswirkung auf die Physik, die uns dazu motiviert, unsere Studien fort zu führen und weiter nach bisher vielleicht unbekannten, systematischen Effekten zu suchen. Wir freuen uns auf unabhängige Messungen anderer Experimente. Gleichzeitig beabsichtigen wir keinerlei theoretische oder phänomenologische Interpretation der Ergebnisse."
Die daran anschließende Diskussion drehte sich dementsprechend ausschließlich um mögliche Fehlerquellen der Messung. Zunächst wurde diskutiert, ob und wenn ja wie man die Genauigkeit der unterirdischen Positionsbestimmung verbessern könnte und inwiefern eine durch Gezeiten verursachte Deformation der Erde sowie die Auswirkungen der Erdrotation berücksichtigt wurden.
Ferner wurde diskutiert inwiefern es zu Auswahleffekten in Bezug auf die räumliche Struktur des Protonenstrahls kommen kann, wie genau der Detektionszeitpunkt tatsächlich bestimmt werden kann, wie genau die zeitliche Struktur des Protonenpakets bestimmt werden kann, inwiefern allgemeinrelativistische Effekte innerhalb des GPS-Systems berücksichtigt wurden, inwiefern Temperaturschwankungen Auswirkungen haben können und welche möglichen Schwächen die theoretische Auswertung der Messung haben könnte.
Bei all diesen Punkten wurde deutlich, dass das OPERA-Team sehr gründlich gearbeitet zu haben scheint und an fast allen Stellen des experimentellen Aufbaus eingehende Annahmen mithilfe von Simulationen und unabhängigen Messungen und Auswertungsverfahren geprüft hat. Eine abschließende Entscheidung, wie schnell Neutrinos wirklich sind, wird daher wohl erst zu fällen sein, wenn die gleiche Messung unabhängig in anderen Labors wiederholt wird.
Die Skepsis unter den Physikern ist bisher dennoch hoch, und auch ich werde erstmal bei meiner bisher so gut bewährten Standardantwort bleiben, dass die Relativitätstheorie schließlich zu den am allerbesten getestet und bestätigten Theorien gehört, und wir es deshalb für ziemlich ausgeschlossen halten, dass sich ein Signal schneller als Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Laut Thomas Kuhn, einem der bekanntesten Wissenschaftstheoretiker des letzten Jahrhunderts, ist diese Skepsis der Wissenschaftler gegenüber Änderungen ihres bisherigen Weltbildes auch überaus sinnvoll: Die bisher so erfolgreichen Überzeugungen sollten erst über den Haufen geworfen werden, wenn es wirklich keine andere Erklärung für die Anomalie gibt. Man wird sehen, ob die Neutrino-Anomalie doch noch als Messfehler entlarvt in unser bisher gewonnenes physikalisches Theoriengebäude integriert werden kann, oder ob es nötig sein wird, Einsteins Theorien in Frage zu stellen.
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