Überlichtschnelle Neutrinos

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Das Gran-Sasso-Labor. Durch den Berg geschützt vor unerwünschter, kosmischer Strahlung.

Am CERN will man Teilchen gemessen haben, die etwas schneller als Licht sind. Diese Teilchen waren nicht etwa Tachyonen oder Wurmlochpartikel, sondern simple Neutrinos.
Schneller als Licht? Onkel Albert mit seiner relativen Theorie und so? Das physikBlog klärt auf.

Neutrinos

Neutrinos, das sind diese winzigen Teilchen, die quasi immer durch uns durch fliegen, dabei aber so wenig mit Materie interagieren, dass sie noch nicht einmal kitzeln.
Sie entstehen nicht nur bei astronomischen Prozessen, etwa in der Sonne oder bei Supernovas, sondern auch bei Prozessen auf der Erde, wie etwa Kernspaltung in Kernkraftwerken. Prinzipiell gibt es Neutrinos in drei Geschmacksrichtungen: Elektron-Neutrinos, die zusammen mit Elektronen auftreten, Myon-Neutrinos, die zusammen mit Myonen auftreten, und Tau-Neutrinos, die… ihr wisst schon.
Neutrinos haben eine geringe Masse. So gering, dass man sie bisher noch nicht genau bestimmen konnte. Man findet nur eine obere Grenze, die man im Laufe der Jahre immer weiter heruntergeschraubt hat.
Neutrinos sind aber auch nicht masselos – wie etwa Photonen. Vor ein paar Jahren hat man festgestellt, dass sich Neutrinos in einander umwandeln können. Und dafür brauchen sie eine Masse.

Die Strecke, innerhalb derer ein Neutrino oszilliert, ist abhängig von der Neutrinomasse.

OPERA

Diese »Neutrinooszillation« hat man zuerst mit Neutrinos beobachtet, die aus der Sonne kommen. In den 1960er fing das Homestake-Experiment signifikant weniger Elektron-Neutrinos ein als erwartet. Sie waren auf dem Weg von der Sonne zu uns in Myon-Neutrinos oszilliert, auf die der Detektor allerdings blind ist.
Es gab ein paar weitere Experimente danach, die alle ähnliche Beobachtungen machten und die Oszillation Stück für Stück besser beschreiben ließen.
Wenn es allerdings um Tau-Neutrinos geht, dann ist der Nachweis etwas komplizierter. OPERA wurde gebaut, um erstmals Tau-Neutrinos dort zu entdecken, wo es eigentlich, ohne Oszillation, keine Tau-Neutrinos geben sollte.
Für OPERA wird am CERN ein Strahl aus der Vorbeschleunigerstrecke des LHCs ausgegliedert und auf einen Graphitblock geschossen. Durch die gewählte Konfiguration entstehen so Myon-Neutrinos mit einer mittleren Energie von 17 GeV, die sich in Richtung Italien, nach Gran Sasso, auf den Weg machen. Dort befindet sich im Bergmassiv ein Teilchenphysiklabor, in dem unter anderem auch OPERA aufgebaut ist.
Bei OPERA bilden Tau-Neutrinos innerhalb von Bleiplatten Tau-Leptonen aus, deren Zerfallsprodukte in Photoemulsionsplatten nachgewiesen werden. Letztes Jahr konnte das Experiment den ersten Nachweis eines Tau-Neutrinos vermelden.

Blei- und Photoemulsionsplatten wechseln sich beim OPERA-Detektor ab.

Überlichtschnell

Man kann OPERA aber zu noch mehr benutzen. Zum Beispiel um die Myon-Neutrinos weiter zu charakterisieren. Und hier setzt das gestern veröffentlichte Paper an.
Man hat mit Hilfe von ausgefuchster Technik den Abstand von der CERN-Neutrino-Quelle zum Detektor im Gran-Sasso-Massiv auf 731,278 km gemessen, mit einem Fehler von 20 cm. Diese GPS-basierte Messung ist so genau, dass die Wissenschaftler nicht nur Erdbeben, sondern auch den Kontinentaldrift in ihren Daten sehen können.
Um nun die Geschwindigkeit eines Teilchens messen zu können, fehlt noch eine Zeit – nämlich die, zwischen Produktion und Detektion. Das ist etwas komplizierter1, u.a. weil man nicht genau weiß, welches Proton aus einem Paket von Protonen das Neutrino erzeugt. Aber auch hierfür gibt’s (statistische) Tricks, die schließlich für die Summe aller Events eine Zeitmessung via GPS ermöglichen. Dabei wird das GPS-Gerät dauernd durch eine eigene Atomuhr gestellt. Es gibt einige Unsicherheiten wegen der eingesetzten Geräte, die in der Arbeit im Detail analysiert und beschrieben werden.

Nach einer Messung von 16.000 Ereignissen haben die Wissenschaftler sich die Geschwindigkeit angeschaut, mit der die Neutrinos von der Schweiz nach Italien fliegen. Und festgestellt, dass sie, laut ihren Rechnungen, höher ist als die Lichtgeschwindigkeit.
Um genau zu sein: 0,00248% schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Oder um noch genauer zu sein:
\(
(v-c)/c = (2{,}48 \pm 0{,}28 \rm{\ (stat.)} \pm 0{,}30 \rm{\ (sys.)}) \cdot 10^{-5}
\)
Nicht viel? Das ist richtig. Aber signifikant mehr – 6-Sigma-signifikant mehr2.

Physiker beim Zuhören. 1A Symbolbild.

Als sie dieses Ergebnis feststellten, haben die Wissenschaftler hin und her gerechnet. Haben Zahlen kontrolliert, Abschätzungen wiederholt.
Aber letztendlich blieb es bei obigem Ergebnis.
Der nächste, völlig normale Schritt war es nun, das Resultat an die wissenschaftliche Gemeinde außerhalb ihrer Arbeitsgruppe zur Diskussion, Analyse und Verifikation zu geben.

Wenn die Forscher einen wesentlichen Punkt bei der Bestimmung der Unsicherheiten vergessen haben, dann wird es früher oder später auffallen. Insbesondere eine unbedachte Systematik ist bei solchen außergewöhnlichen Ergebnissen manchmal eine Erklärung.
Auch ein Fehler könnte bei den Berechnungen passiert sein.

All das wird analysiert werden müssen, ehe wir Onkel Albert aus dem Grab holen und über eine minimalsupersymmetrische Erweiterung der Relativitätstheorie für mittlere Neutrinoenergien reden können.

Wer sich die Entdeckung von Wissenschaftlern des OPERA-Experiments selbst erklären lassen möchte, der hat heute um 16:00 Uhr auf webcast.cern.ch dazu Gelegenheit.

→ Paper »Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam«

  1. Logisch, technisch ist die Entfernungsmessung auch schon ordentlich. []
  2. Sie haben systematischen und statistischen Fehler quadratisch aufaddiert. []
Kurzlink
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24 Antworten auf Überlichtschnelle Neutrinos

  1. Andi sagt:
    #1

    Es haben übrigens einige Webseiten darüber geschrieben. Hier eine kleine Auswahl:

  2. André sagt:
    #2

    Während im Hintergrund der CERNcast läuft hier mal die beiden Theorien, die sich heute während der Mensa-Mittags-Pause als Favoriten herausgestellt haben:

    a) Es gibt Neutrino-Tachyon-Mixing. Also statt den Mischungszuständen aus drei Neutrino-Familien zusätzlich noch den Einfluss von Tachyonen.
    b) Beim Aufbau des Detektors hat einer ein paar Meter Signalkabel eingesteckt, um etwas zu testen. Dummerweise liegt jetzt immer noch eine Rolle Kabel uninspiriert in der Gegend rum und verzögert ein Signal.

    Was sind so eure Theorien?

  3. Andi sagt:
    #3

    @André: Neutrino-Tachyon-Mixing find ich schon mal gut.

    Meine Vorschläge:

    a) Neutrinos habe eine exotische, negative Masse, die sich bei allen Prozessen wie normale Masse verhält (weil nur der Betrag zählt), außer bei Interaktionen mit anderer Materie. Hier gibt’s eine zeitliche Abhängigkeit entsprechend des Vorzeichens der Masse, außerdem eine starke Unterdrückung aufgrund der Neutrino-Energie.
    b) Zwischen CERN und Gran Sasso gibt es eine Zeitsenke im Gestein.
    c) Die Neutrinos werden durch außerirdische Tentakelsandwürmer auf dem CGNS-Weg durch ihre Zukunftsversionen ausgetauscht.

  4. Xpon sagt:
    #4

    Zwischen CERN und Gran Sasso gibt es eine Zeitsenke im Gestein.Daran hab ich auch schon gedacht. Das Gravitationsfeld der Erde ist nicht gleichmässig. Je nach Dichte des darunterliegenden Gesteins könnte es doch durchaus zu Schwankungen kommen, welche vielleicht im Bereich der OPERA Messungen liegen. Gab doch damals dieses Bild einer Kartoffelförmigen Erde wo die Schwerkraftunterschiede übertrieben sichtbar gemacht wurden.

    Finde die Idee gar nicht so schlecht. Frage ist ob dies schon berücksichtigt bzw. durch die verwendeten Methoden und Systeme schon aussgeschlossen wurde.

  5. Kurt sagt:
    #5

    Ein Fehler in der Abstandsberechnung, ausgehend von der Lichtleitbezugsanpassung zwischen Erde und -freier Raum-, sollte mit in die Überlegungen einbezogen werden.
    Denn je weiter, hier der GPS-Sat, dieser von der Erde weg ist desto grösser ist dieser “Fehler” (Lichtlaufdauer).
    Nur eine Laufrichtungsumkehr der Neutrinos bei gleichbleibenden Umständen, könnte dies ausschliessen/zeigen.

    Gruss Kurt

  6. Marie sagt:
    #6

    Auf die Gefahr hin, ne dumme Frage zu stellen: Kann man Messfluktuationen und -fehler hier ausschließen oder könnte es einfach wieder eine Geschichte wie das Paper mit dem Buckel (was war da eigentlich rausgekommen?) sein?

  7. André sagt:
    #7

    @Marie: Nein, Messfehler kann man nicht ausschließen. Das ist auch die maßgebliche Vermutung der Autoren, dass sie irgendeinen Fehler nicht sehen. Sie sehen quasi den Wald vor lauter Bäumen nicht.
    Selbst wenn auch andere Wissenschaftler und Gruppen keinen Fehler finden, heißt das noch nicht, dass es stimmt, was bei OPERA rausgekommen ist. Richtig ausschließen wird man irgendwelche Messfehler erst können, wenn ein unabhängiges zweites Experiment das Ergebnis bestätigen kann.

  8. Kurt sagt:
    #8

    @André schrieb:

    @Marie: Richtig ausschließen wird man irgendwelche Messfehler erst können, wenn ein unabhängiges zweites Experiment das Ergebnis bestätigen kann.

    Und auch dann ist das noch nicht unbedingt ein Beweis.
    Denn es kann immer noch der gleiche “Fehler” drinstecken.

    Unter “Fehler” ist gemeint dass die Ursache für dieses Ergebnis ganz wo anders zu suchen ist.
    Er dürfte im Laufverhalten des GPS-Signals liegen.
    Also in der Lichtausbreitung im Nahbereich der Erde.

    Gruss Kurt

  9. Geisler sagt:
    #9

    Fällt jemandem ein Grund ein, wieso Extra-Dimensionen sowas nicht erklären könnte? ( Es geht nur um Erklärungen, nicht als Motivation für Extra-Dimensionen missverstehen) Diese könnten erklären, warum man das bei SN87 nicht gemessen hat (andere Energie MeV GeV). Fehlt halt nur noch ein Grund, warum Photonen(Bosonen) da nicht rein kommen, Fermionen aber schon (Neutrinos wegen der geringen Masse dan evtl. als erstes)… Oder würde das nur klappen, wenn man eine “gekrümmte” Raumzeit hätte (was durch WMap schon fast ausgeschlossen wurde) ?

  10. Andi sagt:
    #10

    @Geisler: Pff, so ein ernsthafter Erklärungsversuch! Wie könnte denn eine Extradimension eine unterschiedliche Zeitmessung erklären?

  11. Geisler sagt:
    #11

    indem die da rein fliegen können, abkürzen dadurch und somit schneller woanders ankommen

  12. Kurt sagt:
    #12

    @Geisler schrieb:

    indem die da rein fliegen können, abkürzen dadurch und somit schneller woanders ankommen

    Hat überhaupt jemand nachgeschaut ob die Werte Tageszeitlich varieren?

  13. Geisler sagt:
    #13

    @Kurt:
    Warum Tageszeitlich? Im Endeffekt dürfte das aber kaum der ein Fehler sein, wenn man das nicht berücksichtigt hätte, da sich das bei (den) drei Jahren Datennahme rausgemittelt hätte…

  14. Kurt sagt:
    #14

    @Geisler schrieb:

    @Kurt:
    Warum Tageszeitlich? Im Endeffekt dürfte das aber kaum der ein Fehler sein, wenn man das nicht berücksichtigt hätte, da sich das bei (den) drei Jahren Datennahme rausgemittelt hätte…

    Eben, könnte sich rausgemittelt haben.
    Ich denke da an ein -modernes- MM-Experiment.

    Meine Vermutung geht in zwei, nur bedingt zusammenhängende, Bezüge.
    Einer fürs Lichtlaufen, einer für reisende Materie.

    Der Bezug fürs Lichtlaufen auf der Erde und in ihrem Nahbereich ist an der Erde -angenagelt-.
    Der andere nicht.

  15. Martin sagt:
    #15

    Mich stört an dieser ganzen Geschichte folgendes. Die Entfernung wurde nur auf 20 cm genau bestimmt. Das mag ja für heutige Messverfahren schon sehr gut sein, aber reicht das überhaupt aus um damit eine Abweichung von 60ns zu messen.
    Legt Licht nicht in 60ns eine Strecke von 18cm zurück? Daher würden doch die 20cm genauigkeit nicht ausreichen.
    Überhaupt wurde die Entfernung nur auf 10^-1m genau bestimmt. Wie kann man damit generell einen 10^-9 genaues Ergebniss erzielen?

  16. André sagt:
    #16

    @Martin: Lichtgeschwindigkeit ist 3·108 m/s, 60 ns sind 6·10-8 s. Das Licht legt in 60 ns also 3·6 = 18 m zurück (die Größenordnungen heben sich genau auf). Nicht 18 cm!
    Was die Frage zum Ergebnis angeht: du musst das relativ betrachten: die Strecke ist bei 730 km = 73·107 cm auf 20 cm genau, das ist also etwa 3·10-7 von der gesamten Strecke. Und die gesamte systematische Ungenauigkeit auf die Geschwindigkeitsmessung liegt bei 3·10-6, also sogar noch eine Größenordnung darüber.

  17. no gravity sagt:
    #17

    Könnte es nicht sein, dass die bisher gemessene Lichtgeschwindigkeit zu niedrig ist?

  18. Kurt sagt:
    #18

    @no gravity schrieb:

    Könnte es nicht sein, dass die bisher gemessene Lichtgeschwindigkeit zu niedrig ist?

    Die Lichtgeschwindigkeit ist immer Ortsabhängig.
    Masse bestimmt das “Umfeld” für die Lichtweiterleitung.
    Es wird nicht nur der Bezug dafür von Masse (mit)bestimmt, auch die Geschwindigkeit selber hängt von der Masseneeinflussung mit ab.

    Kurt

  19. Martin sagt:
    #19

    @André: zu Punkt 1. ja da hab ich mich verrechnet.
    Punkt 2. gut dann hab ich halt eine Ungenauigkeit von 10^-7 bzw 10^-6. Dann versteh ich trotzdem nicht wie man auf ein Ergebnis im Bereich von 10^-9 kommt, denn für alles was kleiner 10^-7 ist kann man doch keine Garantie mehr geben. Eines der ersten Dinge die man uns im ersten Semester beigebracht hat war, dass mein ein Ergebniss was die Potenzen angeht max so genau angeben kann, wie der Größte Fehler ist.

  20. Sil sagt:
    #20

    Ich denke die Lösung ist viel simpler.
    Während die Photonen wiedermal durch streikende italienische Beamte aufgehalten wurden, haben die Neutrinos wie üblich wiedermal nichts davon mitbekommen und kamen dadurch früher an. ;)

  21. Erwin sagt:
    #21

    Ich verstehe die ganze Aufregung nicht. Die relative Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit ist von der gleichen
    Größenordnung wie die Messgenauigkeit der Laufzeit. Ein solches Experiment nennt man ein 1-sigma-Experiment
    und es ist völlig unüblich, mit einem solchen Experiment an die Öffentlichkeit zu gehen.

  22. Basti sagt:
    #22

    @Erwin: Das stimmt so nicht. Es handelt sich um eine 6-Sigma-Abweichung, d.h. die gemessene Abweichung entspricht dem sechsfachen der bestimmten Messunsicherheit. Das ist ein enormer Unterschied, weil eine solche Messung rein statistisch nur bei einem aus einer Million Messungen vorkommt (im Gegensatz zu einem aus drei Experimenten bei einem Sigma). Solche Ergebnisse werden immer veröffentlicht.

  23. #23

    Ob die Neutrinos schneller sind als Licht oder nicht ist eigentlich nicht die wichtigste Frage. Viel wichtiger ist zu beweisen dass sie tatsächlich gibt.

    Ist nämlich nicht der Fall dann ist die ganze Teilchenphysik Schrott. Die so angeblich Wissen liebenden Physiker haben mit dem Experiment OPERA jetzt die Möglichkeit zu beweisen, dass ihre Thesen wirklich stimmen und zwar unabhängig von der Suche nach Higgs-Boson.
    Man sollte in Cern die Myonen im OPERA genauso erzeugen, aber die Orientierung so verändern dass die angeblichen Neutrinos nicht Richtung Gran Sasso fliegen können.
    Den Rest des Experiments soll genauso laufen wie vorher.
    Ich bin sicher dass man trotz nicht Vorhandenen Neutrinos im Detektor genauso die Ausschläge mit der gleichen Zeitunterschied messen würde.
    Ich bezweifle aber dass die Physiker dazu Mut haben. Bis jetzt haben die mit Erfolg vermieden ihre Theorien ernsthaft zu Testen.

    Würden sich die Physiker weigern dieser ultimativen Test durchzuführen, werden sie damit eindeutig zugeben, dass ihre Physik ein Fake ist.

  24. deHotz sagt:
    #24

    Ich habe zwei Vermutungen:

    a) Fehler in der Uhreichung.
    b) andere Fehler ;) ….
    c) exotischer Ansatz mit minimaler Modifikation: es gibt die maximale Geschwindigkeit aus der Relativitätstheorie, nennen wir sie d. c ~< d Da das "Vakuum" nie wirklich leer ist, ist die gemessene Lichtgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit im Medium und somit niedriger als maximal möglich. Neutrinos wechselwirken nur schwach und somit werden sie weniger "aufgehalten", wären dann also schneller als das real messbare Licht. ??? nur spekulativ. habe dazu jetzt nichts gerechnet.

    mfg
    deHotz

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