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#1

Neutrinos schneller als das Licht

in Aus der Welt der Wissenschaft 23.09.2011 14:36
von franzpeter | 8.651 Beiträge

23.09.2011
Neutrinos schneller als das Licht

Physiker rätseln über rasende Teilchen

INFN
Es wäre eine Sensation, die ein Kernstück der Relativitätstheorie in Frage stellen würde. Schweizer Forscher haben Elementarteilchen aufgespürt, die schneller sind als das Licht - was nach Einsteins These unmöglich sein soll. Allerdings trauen die Wissenschaftler ihren eigenen Ergebnissen nicht.

Genf/Hamburg - Schneller zu fliegen als das Licht? Das kann nicht funktionieren. So jedenfalls lehrt es uns die Physik. Dort setzt Einsteins Relativitätstheorie eine eherne Grenze bei knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde. Höhere Geschwindigkeiten wurden bisher nicht nachgewiesen. Doch jetzt wankt dieses Grundgesetz der Natur. Bestimmte Elementarteilchen, sogenannte Neutrinos, scheinen die magische Marke zu ignorieren.


Wissenschaftler des internationalen "Opera"-Projekts berichten von entsprechenden Messungen. Sollten sich diese bestätigen, wäre das eine Sensation, die die moderne Physik erschüttern könnten. Allerdings wollen die Forscher ihren Daten selbst nicht wirklich trauen. Sie veröffentlichen die Untersuchung, damit andere Wissenschaftler die Versuche ebenfalls durchführen - und vielleicht mögliche Fehler finden.

Die "Opera"-Wissenschaftler haben die Ergebnisse von Experimenten am Teilchenforschungszentrum Cern bei Genf analysiert. Im dortigen gigantischen Teilchenbeschleuniger wurde ein Strahl von Neutrinos erzeugt. Die sehr leichten und elektrisch neutralen Elementarteilchen reisten 732 Kilometer durch die Erde bis zu einem Labor bei Gran Sasso in Italien. Für die Reise benötigten die Teilchen etwa 2,4 Millisekunden.

Eigentlich wollen die Forscher so die Umwandlung sogenannter Muon-Neutrinos in einen anderen Typ - Tau-Neutrinos - beobachten. Doch die Messungen brachten noch etwas ganz anderes zutage: Die Teilchen brauchten 60 Nanosekunden weniger als das Licht für die Strecke. Da die Messung auf zehn Nanosekunden genau erfolgt und die Forscher 15.000 Neutrinos mit einem entsprechenden Effekt beobachteten, scheint das Ergebnis klar: Neutrinos knacken die Lichtgeschwindigkeit.

Das würde Einsteins spezieller Relativitätstheorie widersprechen. Die auch Laien durch die Gleichung E=mc2 bekannte Theorie postuliert unter anderem, dass die Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung eines Systems unabhängig ist, es sich also um eine Naturkonstante handelt. Zudem nimmt die Masse eines Körpers mit seiner Geschwindigkeit zu. Bei Lichtgeschwindigkeit würde sie unendlich groß werden. Daher gilt sie als oberste Grenze.

Entsprechend groß ist jetzt die Aufregung. "Das Ergebnis ist eine totale Überraschung", sagt Antonio Ereditato vom "Opera"-Experiment, der an der Universität Bern forscht. Monatelang überprüften die Forscher die Daten, konnten aber keinen Fehler finden, der die Daten erklären würde.

"Wenn sich diese Messungen bestätigen, könnte das unsere Auffassung von der Physik ändern", sagt der wissenschaftliche Leiter des Cern, Sergio Bertolucci. "Aber wir müssen sicher sein, dass es keine andere, profane Erklärung dafür gibt. Das erfordert unabhängige Experimente." Tatsächlich zweifeln viele Physiker, dass sich das Ergebnis bestätigen lässt. "Das Gefühl bei den meisten ist, dass das nicht stimmen kann", sagt selbst ein Sprecher des Cern.

Fermilab-Forscher in den Startlöchern

Andere Forschergruppen sind jetzt aufgefordert, die Daten genau zu studieren oder das Experiment zu wiederholen. Letzteres ist allerdings nur an zwei Teilchenbeschleunigern möglich: an einer japanischen Anlage, die seit dem Erdbeben vom 11. März nicht arbeitet, und am US-amerikanischen Fermilab, wo die Neutrinos von Chicago nach Minnesota geschickt werden.


Das Fermilab bereitet sich bereits auf das Experiment vor. "Das ist so wichtig, dass die sonst üblichen wissenschaftlichen Rivalitäten beiseitegeschoben werden", sagt Wissenschaftler Rob Plunkett. Der Physiker meint, er gehe offen an die Frage heran, ob das Cern oder Einstein recht habe. "Aber es ist gefährlich, gegen Einstein zu wetten." Denn seine Theorien seien wieder und wieder auf die Probe gestellt worden.

Physiker Brian Greene von der Columbia University sieht den Experimenten gespannt entgegen. "Wir wären begeistert, wenn es sich als richtig herausstellt. Wir lieben Ergebnisse, die die Grundfesten dessen erschüttern, was wir für wahr halten."

Warum die Neutrinos schneller als das Licht fliegen könnten, lässt theoretische Physiker bereits jetzt grübeln. Stephen Parke vom Fermilab meint etwa, sie könnten eine Abkürzung durch eine andere Dimension nehmen. Antonio Ereditato vom "Opera"-Experiment, von dem die Daten stammen, ist deutlich vorsichtiger. Die möglichen Auswirkungen auf die Physik seien zu groß, um sofort Schlussfolgerungen zu ziehen oder mögliche Erklärungen zu liefern. "Meine erste Reaktion: Neutrinos verblüffen uns noch immer mit Geheimnissen."

wbr/AP

Anmerkung:


Entweder liegt ein Messungs-Fehler vor, oder
sie nehmen tatsächlich einen weg durch eine andere Dimension (das wär's doch: der Neutrino Antrieb!),
oder mit ihrer Masse stimmt etwas nicht.


Mit freundlichen Grüßen
franzpeter
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#2

RE: Neutrinos schneller als das Licht

in Aus der Welt der Wissenschaft 08.10.2011 18:51
von franzpeter | 8.651 Beiträge

Hintergrund | 06.10.2011
TEILCHENPHYSIK


Uhrenfehler auf der Neutrinobahn?

Zweifel an überlichtschnellen Neutrinos kommen auf
Die Autorin ist Korrespondentin für Nature.
Eugenie Samuel Reich Exklusive Übersetzung aus

Knapp zwei Wochen nach der Verkündung, dass Neutrinos schneller als das Licht gereist sein könnten, werden kritische Stimmen lauter.
Kaum zwei Wochen ist es her, dass eine bemerkenswerte Entdeckung die Runde machte: Neutrinos waren beobachtet worden, die angeblich schneller als das Licht reisten. Doch nun behaupten einige Physiker, sie hätten Schwachstellen in der Analyse aufgedeckt.

Das bemerkenswerte Ergebnis stammt vom OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus), das aus einem unterirdischen Detektor im Gran-Sasso-Gebirgsmassiv in der Nähe von Rom besteht und in 1400 Meter Tiefe aufgebaut ist. Dort stoppten Wissenschaftler die Zeit, die Myon-Neutrinos aus dem CERN bei Genf benötigen, um die 731 Kilometer zwischen beiden Standorten zurückzulegen. Die Teilchenforscher waren überrascht, dass die Neutrinos 60 Nanosekunden früher ankamen als ein Lichtstrahl, der die gleiche Strecke in einem Vakuum zurückgelegt hätte. Damit hätten die Teilchen eine Grenze durchbrochen, die Physiker bislang als unveränderliche kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung betrachtet hatten




Neutrino- Elektronbegegnung in der Gargamellen- BlasenkammerSeit das OPERA-Team am 22. September sein Ergebnis verkündet hatte, folgten mehr als 30 Vorabveröffentlichungen auf dem ArXiv.org-Server, die das Phänomen erklären sollten – teilweise unter Verwendung exotischer theoretischer Modelle. Eines davon stellt allerdings die Berechnungen in Frage: Der Theoretiker Carlo Contaldi vom Imperial College in London kritisierte am 28. September als Erster auf dem arXiv-Server das Ergebnis seiner Kollegen [2].

Eine Frage der Uhrabgleichung?

Die OPERA-Forscher stoppten die Neutrinozeiten mit Uhren an beiden Standorten, die mit Hilfe von GPS-Signalen von einem einzigen Satelliten synchronisiert wurden. Contaldi behauptet nun jedoch in seiner Publikation, dass die OPERA-Gruppe einen Aspekt von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nicht ins Kalkül gezogen hätte: den schwachen Unterschied der Gravitationskraft zwischen beiden Orten. Er sorge dafür, dass beide Uhren unterschiedlich schnell tickten, so Contaldi.

Da das CERN näher zum Erdkern liege als der Gebirgsstock Gran Sasso, wirke bei Genf die Erdanziehungskraft etwas stärker – und folglich geht die Uhr auf dem italienischen Berg etwas schneller als jene im Schweizer Tal. "Das würde die Signifikanz des Ergebnisses reduzieren", sagt Contaldi.

Doch Dario Autiero vom Institut für Kernphysik in Lyons, der Koordinator von OPERA, erwidert, dass es sich bei der Kritik seines Kollegen um ein Missverständnis des Synchronisationsprozesses der Uhren handelt. Seine Mitarbeiter wollten nun das eigene Paper überarbeiten, um ihre Vorgehensweise deutlicher herauszustellen. Und Autiero weist darauf hin, dass OPERA die Aufsehen erregende Beobachtung doch recht vorsichtig präsentiert habe und ohne daraus zu schließen, dass die Gesetze der Physik umgestülpt worden wären. Seine E-Mail-Diskussion mit Contaldi setzt sich derweil fort und wird von Dutzenden Physikern mitverfolgt.


Nanosekunden entscheiden über Wohl und Wehe

Zwei Uhren sind nötig, um die Zeit der Neutrinoreise zu messen: eine am Anfang und eine am Ende der Strecke. Sie müssten deshalb auf die Nanosekunde genau synchronisiert werden, um eine exakte Zeitnahme zu gewährleisten, erklärt Toby Wiseman, der ebenfalls als Theoretischer Physiker am Imperial College arbeitet. Dagegen ist die Geschwindigkeit des Lichts auf dieser Distanz einfacher zu erfassen, da man den Strahl zurück zu seinem Ausgangspunkt reflektieren könnte. Die Zeit für die Rundreise ließe sich dann mit nur einer Uhr erfassen. "Die Kernfrage ist, ob sie ihre Uhren nun exakt synchronisiert haben – oder nicht", so Wiseman.



Francesco Arneodo LNGS-INFN



Neutrino-Detektor
Gesamtansicht des OPERA-Detektors: Tief im Massiv des italienischen Gran Sasso soll er kleinste Elementarteilchen auffangen.Contaldi räumt ein, dass er in seiner ursprünglichen Analyse auf dem ArXiv fälschlicherweise angenommen habe, dass die Zeitnahme von OPERA auf einer Uhr basierte, die vom einen Ende des Strahls zum anderen bewegt wurde. Aber selbst wenn die Uhren mit GPS synchronisiert worden sind, so entfernte dies nicht die Auswirkungen der Zeitdilatation, die sich zu Dutzenden Nanosekunden summieren könnten, so der Physiker.

Und dieser Effekt würde entsprechend die statistische Signifikanz der Messungen verringern – die OPERA gegenwärtig noch mit sechs Standardabweichungen angibt (schon ein Wert von fünf Standradabweichungen gilt in der Teilchenphysik als starker Beleg). Contaldi sagt aber, dass der zusätzliche Fehler durch die Dilatation den Wert auf nur noch zwei oder drei Standardabweichungen drückt – genug, um nur noch einen schwachen Hinweis auf einen möglichen überlichtschnellen Effekt zuzulassen.

Mit seiner Meinung steht Contaldi zumindest auf dem ArXive noch relativ alleine da. Doch sein Kollege Wiseman hat ein mögliche Erklärung dafür, dass bislang nur wenige Kritiken veröffentlicht wurden: Das komplexe Experiment und ein Mangel an Details zur Uhrensynchronisation im ursprünglichen OPERA-Artikel verzögerten entsprechende Kritiken, doch seien mittlerweile wahrscheinlich schon weitere in Bearbeitung, so der Forscher. "Carlo weist darauf hin, wie schwierig es ist, Kritik an der Arbeit zu üben, wenn man nicht selbst in dem Forschungsverbund arbeitet", sagt Wiseman.

Doch mittlerweile gesellen sich erste Mitstreiter an die Seite Contaldis. Am 2. Oktober hat Gilles Henry vom Institut de Planétologie et d'Astrophysique in Grenoble seine eigenen kritischen Anmerkungen online zur Debatte gestellt [3]. Er argumentiert, dass Schwankungen im Neutrinostrahl die Wahrscheinlichkeit verringern, dass die Teilchen im Gran Sasso exakt detektiert werden. Gleichzeitig vergrößert sich dadurch die Messunsicherheit in ihrer Flugzeit so weit, dass überlichtschnelle Ergebnisse herauskommen könnten. Noch hat OPERA auf diese Kritik nicht geantwortet.

Spektrum direkt Hintergrund


Mit freundlichen Grüßen
franzpeter
zuletzt bearbeitet 08.10.2011 18:53 | nach oben springen


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