Einstein und die Neutrinos

Schneller als das Licht: Messfehler oder neue Physik?

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Das war schon ein (Ur-)Knaller, als CERN und das INFN im September über die Geschwindigkeitsmessungen von Neutrinos berichtete. Jahre zuvor hatte das amerikanische Fermilab bereits ähnliche Ergebnisse veröffentlicht. Nun will man hier wie dort nachmessen.

Eigentlich sollte das Experiment OPERA (Oscillation Project with Emulsion-TRacking Apparatus) primär die merkwürdige Wandlung von einer Sorte Neutrinos in eine andere untersuchen, nämlich von µ-Neutrinos in τ-Neutrinos, und deren exakte Geschwindigkeit vermaß man eher nebenbei. Doch, oh Wunder, auf ihrer etwa 730 km langen Reise quer durch die Erdkruste kamen die vom Vorbeschleuniger (SPS) des Large Hadron Collider erzeugten Neutrinos im Schnitt etwa 60 ns früher im Gran-Sasso-Tunnellabor an, als es der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Damit wären sie etwa 7,4 km/s schneller als das Licht, was nach klassischer Interpretation der Einsteinschen speziellen Relativitätstheorie nicht möglich sein dürfte.

Die Messungenauigkeit gaben die Forscher mit etwa ±6,9 ns (statistisch) ±7,4 ns (systematisch) an und dank 16 161 detektierten Events hatten sie auch eine gute statistische Signifikanz. Gemessen wird dabei nicht die Laufzeit eines einzelnen Teilchens – so genau bekommt man die Startzeit eines individuellen Neutrinos nicht heraus –, sondern ihre zeitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung, und die verschiebt sich gegenüber einer Reise in Lichtgeschwindigkeit eben um 60 ns. Die Zeitmessung erfolgt dabei über zwei Cäsiumuhren Cs4000 von Symmetricon, die sich via GPS-Signal über eine „Common View“ synchronisieren. Dabei korrigiert eine Software die unterschiedlichen GPS-Laufzeiten durch Tropo-, Strato- und Atmosphäre. Dieses Verfahren wurde vom Schweizer Metrologie-Institut METAS entwickelt und für zuverlässig erklärt. Zudem hat die PTB in Braunschweig mit zwei mobilen Uhren, die sich parallel zum GPS zusätzlich per Zweiwegekommunikation via Satellit verständigen, die Zeitmessung auf etwa 2 ns genau bestätigt.

Die auf 20 cm genaue Ortsmessung vom Startpunkt (BCT) und dem Zielpunkt im Gran-Sasso-Tunnel erfolgte mit GPS-Hilfe und den üblichen geodätischen Methoden. Man könnte die Entfernung von der GPS-Station zum Detektor sogar noch präziser bestimmen, dazu müsste man aber den Verkehr im Gran-Sasso-Tunnel eine Zeitlang komplett stoppen, was die Wissenschaftler den italienischen Autofahrern bislang nicht zumuten wollten. Nach diesen Messergebnissen aber wird man das wohl noch ins Auge fassen.

Aus dem Vorbeschleuniger (SPS) des Large Hadron Collider werden über Kicker-Magnete pro Messvorgang zwei 10,4 µs lange Protonenbündel mit 450 GeV Energie ausgekoppelt. Diese sind moduliert mit der Synchrotronfrequenz von 500 kHz und der beschleunigenden Hochfrequenz von 200 MHz. Die Zeitstruktur der Bündel wird in einem Beam Current Transformer Detector (BCT) mit einem hochauflösenden Wave Form Digitizer (WFD) mit 1 Gigasample/s bestimmt. Die Protonen liegen bei dieser Energie nur etwa 650 m/s unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Sie knallen dann 740 m hinter dem BCT auf einen 2 m langen Graphitblock, wobei Mesonen (Pionen, Kaonen) produziert werden. Diese ebenfalls geladenen Teilchen kann man magnetisch fokussieren. Sie zerfallen irgendwo im sich anschließenden 1000 m langen Vakuumtunnel zumeist in Myonen, wobei µ-Neutrinos entstehen, die gen Gran Sasso geschickt werden. Dort warten 150 000 Bleiziegel, bestehend aus 56 einen Millimeter dicken Bleiplatten mit dazwischen liegenden Emulsionsnebelkammern (ECC) auf sie, insgesamt 1300 Tonnen schwer. Aus den damit bestimmten Bahnen der Folgeprodukte kann man auch feststellen, ob die Neutrinos mit dem Blei (interne Events) oder mit Kernen aus dem umgebenden Felsen (externe Events) zusammengestoßen sind.

5489 der 7536 internen Events wurden als µ-Neutrinos detektiert, sie besaßen im Schnitt 17 GeV Energie. Wesentliche Abweichungen in der Laufzeit bei unterschiedlicher Energie oder Neutrino-Art zeigten sich nicht. Immer waren sie etwa 60 ns schneller als das Licht.

Die OPERA-Forscher waren allerdings nicht die ersten, die mit solch einem aufsehenerregenden Ergebnis für Neutrinos aufwarten konnten. Schon 2007 veröffentlichte das amerikanische Fermilab erste Resultate des MINOS-Experiments (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Auch bei MINOS stehen vornehmlich die Oszillationen und die Massebestimmung der Neutrinos auf dem Programm, die exakte Messung der Geschwindigkeit dient eher zur Kontrolle der Messinstrumente. Hier schickt man die Neutrinos auf eine nahezu gleich lange Reise von 734 km zur Soudan Mine in Minnesota – man braucht ja tiefliegende Minen oder Gebirgstunnel, um die hochempfindlichen Detektoren vor der kosmischen Strahlung weitgehend abzuschirmen.

Umso erstaunlicher war das erste Ergebnis von rund 15 km/s Überlichtgeschwindigkeit. Das konnte irgendwie keiner glauben, auch das Fermilab nicht. Denn die systematischen Messungenauigkeiten waren mit 64 ns deutlich größer als jetzt bei CERN (7,4 ns) und zudem hatte man bis 2007 auch nur ein kleines Ensemble von 473 Events detektiert.

Die Wissenschaftler geben üblicherweise die Messungenauigkeiten im sogenannten Standard-Vertrauenslevel an, wonach der Wert gerade mal mit 68,3-prozentiger Wahrscheinlichkeit in dem angegebenen Intervall (±Messungenauigkeit) liegt. Was man von dieser mäßigen Vertrauensstufe halten kann, zeigt beispielsweise die Entwicklung zahlreicher Naturkonstanten, deren neueren Werte zum Teil weit außerhalb des Vertrauensintervalls der alten liegen. Das kann man sich schön etwa anhand größerer Sprünge bei der Elementarladung seit der ersten Messung von Millikan 1917 verdeutlichen. Ihr aktueller Mittelwert gemäß NIST aus dem Jahre 2010 liegt bei 1,602176565(35) · 10–19 C und damit um 78 · 10–19 C über dem zuvor gültigen Wert von 2006 (1,602176487(40) · 10–19 C). Die Differenz beträgt also fast das Doppelte der 2006 angegebenen Standardungenauigkeit – 1955 kam auch mal der Faktor 8 vor. Misstrauische Wissenschaftler multiplizieren daher lieber die Standardungenauigkeit mit einem Erweiterungsfaktor, etwa zwei für ein Vertrauenslevel von 95 Prozent oder gar drei für 99 Prozent.

So betrachtet läge bei MINOS anders als bei OPERA die Lichtgeschwindigkeit durchaus noch im Rahmen der Messergebnisse. Das liegt aber auch daran, dass die Fermilab-Wissenschaftler beim Einmessen offenbar nicht übermäßig pingelig vorgegangen sind. So sind die Laufzeiten der Glasfasern zu den GPS-Stationen nur relativ grob bestimmt. Zum Vergleich: Allein für den Detektor in der Soudan-Mine beträgt die Messungenauigkeit 46 ns von 5500 ns Laufzeit der Glasfaser, CERN gibt für das 8,3 km lange Glasfaserkabel bei Gran Sasso eine Messungenauigkeit von lediglich 1 ns an.

MINOS-Sprecherin Prof. Jenny Thomas hat aber bereits verkündet, dass man das jetzt nachbessern will und mit den neu vermessenen Laufzeiten (bei Berücksichtigung eventueller Alterungseffekte) die alten Daten neu verrechnen wird. Schafft man bei den beiden Glasfasern die OPERA-Genauigkeit, so sinkt allein dadurch die systematische Messungenauigkeit von MINOS von 64 auf 35 ns. Hinzu kommen zudem weitere Daten aus den letzten vier Jahren. So hofft man, schon in vier bis sechs Monaten die OPERA-Messergebnisse bestätigen oder widerlegen zu können. Des Weiteren ist unter dem Projektnamen MINOS+ eine erhebliche Verfeinerung der Messung geplant, mit der man die Laufzeiten dann auf ein, zwei Nanosekunden genau bestimmen kann. Aber vor 2014 wird man noch keine Ergebnisse von MINOS+ erhalten.

Ende September gab das Fermilab die Suche nach den Higg’schen Teilchen im eigenen Großbeschleuniger Tevatron auf und macht stattdessen beim CMS-Experiment am LHC von CERN mit. Nach 28 Jahren erfolgreichen Betriebs wurde das Tevatron dann abgeschaltet und nun kann man sich vor Ort stärker den Experimenten rund um Neutrinos, dunkle Materie und Energie widmen und den Bau eines neuen Linear-Beschleunigers „Project X“ vorbereiten, mit dem sich noch viel mehr Neutrinos erzeugen lassen.

Albert Einstein kannte die Neutrinos nicht, als er 1905 die Arbeit „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ veröffentlichte, die später als spezielle Relativitätstheorie in die Annalen einging. Diese merkwürdigen Teilchen „erfand“ der österreichische Physiker Wolfgang Pauli 1930, um Energie- und Impulserhaltung beim Beta-Zerfall von Kernen aufrecht zu erhalten. Sie bekamen dann später ihren Namen vom italienischen Kollegen Enrico Fermi, und obwohl Pauli glaubte, dass sie nie nachgewiesen werden können, gelang 1956 dem amerikanischen Forscherteam um Reines und Cowan der experimentelle Nachweis – der fällige Nobelpreis dafür ließ allerdings 40 Jahre auf sich warten. Dieser Nachweis ist schwer genug, können doch die niedrigenergetischen Neutrinos Lichtjahre durch Materie jagen, bevor sie irgendeine Wechselwirkung zeigen. Die mittlere freie Weglänge ist jedoch umgekehrt proportional zur Energie. Bei den höherenergetischen Neutrinos des OPERA-Experiments liegt sie nur noch bei wenigen hunderttausend Kilometern.

Japanische Forscher fanden 1998 heraus, dass nur etwa 30 Prozent der µ-Neutrinos von der Sonne auf der Erde ankommen, als bei dem Fusionsprozess eigentlich errechnet wurden. Der Grund liegt in der eingangs genannten geheimnisvollen Oszillation zu τ- und e-Neutrinos.

Vergrößern Wichtige zwölf Sekunden am 24. 2. 1987. Hier wurde eine erhöhte Neutrinoaktivität gemessen: die Explosion der Supernova SN1987A.

Die Japaner verwenden 1000 Meter unter der Erde in der Mozumi-Mine einen Riesenwassertank mit 50 000 Tonnen hochreinem Wasser als Neutrino-Detektor. Derzeit ist die Anlage „Super-Kamiokande“ aber außer Betrieb, da sie noch unter den Folgen von Erdbeben und Tsunami leidet. Ein Glücksfall war, dass der Vorgänger Kamiokande II ebenso wie drei andere Detektoren am 24. Februar 1987 die Supernova SN1987A belauschen konnte. Die explodierte etwa 168 000 Lichtjahre von uns entfernt in nur etwa 10 Sekunden und schickte dabei unter anderem unvorstellbare Mengen an Neutrinos in den Kosmos. Wären Neutrinos wirklich so schnell wie von OPERA detektiert, hätte man sie eigentlich schon etwa vier Jahre zuvor feststellen müssen. So aber kamen sie nur drei Stunden vor den Photonen hier an, eine Verzögerung, die sich durch Wechselwirkung der Photonen mit Materie begründen lässt. Allerdings hatten die Supernova-Neutrinos im Schnitt nur ein Tausendstel der Energie der OPERA-Neutrinos, einen anderen Typ, und vier Jahre zuvor waren die Detektoren vielleicht noch nicht so weit … da bleiben viele Fragen offen.

Einstein hätte nie gesagt, dass sich nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen könne – so die Proponenten von superluminalen (überlichtschnellen) Teilchen, den sogenannten Tachyonen, doch in seiner Arbeit von 1905 findet man die recht eindeutigen Sätze: „Für Überlichtgeschwindigkeiten werden unsere Überlegungen sinnlos“ und „Überlichtgeschwindigkeiten haben – wie bei unseren früheren Resultaten – keine Existenzmöglichkeit“. Allerdings lässt seine Relativitätstheorie Raum für weitere Interpretationsmöglichkeiten. So könnte die Lichtgeschwindigkeit als Polstelle verbleiben, aber der komplexen Wurzel bei Überlichtgeschwindigkeit könnte man irgendeine andere physikalische Realität zuordnen, etwa die Tachyonen, die sich dann rückwärts in der Zeit bewegen müssten.

Den größten Interpretationsspielraum haben aber die Stringtheoretiker und andere Multidimensionalisten, die unsere dreidimensionale Welt als Membran eines höherdimensionalen Raumes sehen. Sie können auch ohne Tachyonen und negatives Zeitverhalten im Prinzip recht einfach die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit erklären, einfach durch eine Abkürzung, einen „Tunnel“ in einer höheren Dimension. Dann bleibt Einsteins spezielle Relativitätstheorie in unserem gewöhnlichen Membran-Universum erhalten und muss für mehr Dimensionen eben nur ein bisschen erweitert werden. (as)

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