Messungen der Neutrinogeschwindigkeit

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Zeitmessung der CNGS-Neutrinos durch OPERA

Die OPERA-Neutrino-Anomalie bezieht sich auf möglicherweise überlichtschnelle Neutrinos, deren Messung von der OPERA-Gruppe von CERN/LNGS im September und November 2011 präsentiert wurde. Dies sorgte für einiges Aufsehen in Medien und wissenschaftlichen Blogs, da die spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins die Existenz von Signalgeschwindigkeiten größer als Lichtgeschwindigkeit ausschließt.

Dieses Resultat wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft bislang nicht akzeptiert, da unabhängige Bestätigungen durch andere Gruppen bzw. eine theoretische Erklärung noch ausstehen. Bisherige Tests der speziellen Relativitätstheorie haben darüber hinaus mit hoher Präzision die Existenz von Überlichtgeschwindigkeiten von anderen Teilchen wie Photonen oder Elektronen ausgeschlossen. Die Unüberschreitbarkeit und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen wird deswegen als grundlegendes Prinzip bei der Formulierung der grundlegenden Theorien der modernen Physik, wie beispielsweise im Standardmodell der Teilchenphysik, verwendet.

Ausgangssituation

Lange Zeit wurde angenommen, dass Neutrinos masselos sind und sich gemäß der speziellen Relativitätstheorie mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müssten. Doch seit der Entdeckung von Neutrinooszillationen wird angenommen, dass sie Masse besitzen, so dass sie eigentlich langsamer als Licht sein müssten, da sonst ihre relativistische Energie unendlich groß werden würde.

Bisherige Messungen konnten keine signifikanten Abweichungen von der Lichtgeschwindigkeit feststellen. Dabei muss beachtet werden, dass zur Anerkennung von neuen Ergebnissen bei Kollisionsexperimenten gefordert wird, dass die Messung mindestens 5 Standardabweichungen (5σ) von der Vorhersage abweicht. Zu den bisherigen Messungen gehören Vergleiche der Ankunftszeiten zwischen Licht und Neutrinos mit einer Energie von etwa 10 MeV, die bei der Supernova 1987A in einer Entfernung von 157.000 ± 16.000 Lichtjahren entstanden waren. Diese ergaben eine maximale relative Abweichung von (v−c)/c < 2 × 10⁻⁹, also das 1,000000002-fache der Lichtgeschwindigkeit c. Dieser minimale Unterschied, der ca. 3 Stunden entsprach, wurde darauf zurückgeführt, dass die wechselwirkungsarmen Neutrinos den Bereich der Supernova ungehindert durchqueren konnten, während das Licht länger dafür benötigte. Eine terrestrische Messung durch MINOS (2007) ergab zwar das 1,000051(29)-fache der Lichtgeschwindigkeit, jedoch betrug die Abweichung lediglich 1,8σ. Das bedeutet, dass unter Berücksichtigung aller Fehlerquellen eine deutlich größere Fehlermarge auftritt, und Geschwindigkeiten kleiner/gleich der Lichtgeschwindigkeit ebenfalls möglich sind.

Siehe auch: Neutrinotests als Tests der Lorentzinvarianz

Experimentanordnung und Resultate

Die OPERA-Gruppe, deren Forschungsschwerpunkt die Erforschung der Neutrinooszillationen ist, veröffentlichte im September 2011 Messungen an 17-GeV-Myon-Neutrinos (CNGS), welche sich angeblich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegten.

Die Messung erfolgte auf einer Strecke von (730 534,61 ± 0,20) m zwischen CERN und LNGS, und (743,391 ± 0.002) m für den Abschnitt, wo die Neutrinos aus Protonenpulsen bzw. Pionen und Kaonen entstanden sind. Zusammengenommen ergab sich als Basislinie für das Experiment also (731 278,0 ± 0.2) m. Zur Synchronisation der Uhren und Bestimmung der genauen Entfernung wurde GPS benutzt. Es ergab sich, dass Neutrinos nach Abzug aller sonstigen Verzögerungsquellen um (60,7 ± 6,9 (statistischer Fehler) ± 7,4 (systematischer Fehler)) ns früher beim Detektor ankamen, als mit Lichtgeschwindigkeit zu erwarten gewesen wäre, was einem relativen Geschwindigkeitsunterschied von (v−c)/c = (2,48 ± 0,28 (stat.) ± 0,30 (sys.)) × 10⁻⁵ (also einem absoluten von ca. 7,44 km/s) entspricht. Die Neutrinogeschwindigkeit wäre also ungefähr das 1,0000248(28)-fache der Lichtgeschwindigkeit. Im Gegensatz zum MINOS-Experiment lag die Abweichung mit 6σ deutlich über der 5σ-Grenze, was für eine hohe Signifikanz des Ergebnisses spricht. Ebenso wurde an 28-GeV-Neutrinos eine mögliche Energieabhängigkeit der Geschwindigkeit getestet, doch ohne signifikanten Unterschied im Rahmen der Messgenauigkeit. Die Autoren wiesen darauf hin, dass in ihrem Experiment die Neutrinos eine deutlich höhere Energie besaßen als in den vorhergehenden Experimenten.

Die ursprüngliche, im September veröffentlichte Messmethode bestand in einem statistischen Vergleich der zeitlichen Verteilung von Protonenpulsen (welche die Neutrinos erzeugen) von 10,5 Mikrosekunden Länge, mit den Neutrinos, die im Detektor beobachtet wurden. Um einige statistische Fehler auszuschließen, führte OPERA im November 2011 eine Messung unter veränderten Bedingungen durch, wobei die Pulse in kurze Bündel von 3 Nanosekunden aufgeteilt wurden, sodass jedes Neutrino einem Bündel zugeordnet werden konnte. Doch auch diese Messung stand im Einklang mit den vorhergehenden Ergebnissen. Zusätzlich aktualisierte OPERA die Angaben. Die vorzeitige Neutrinoankunft nach Abzug aller Korrekturen ergab sich mit (57,8 ± 7,8 (stat.) $\scriptstyle {+8,3 \atop -5,9}$ (sys.)), und das Verhältnis Neutrinogeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit beträgt nun (v−c)/c = (2,37 ± 0,32 (stat.) $\scriptstyle {+0,34 \atop -0,24}$ (sys.)) × 10⁻⁵, also einem absoluten Unterschied von ca. 7,11 km/s. Das ist ungefähr das 1,0000237(32)-fache der Lichtgeschwindigkeit, wobei die Abweichung 6,2σ beträgt. Dies führte dazu, dass die aktualisierte Arbeit am 17. November zur Veröffentlichung an das Journal of High Energy Physics gesendet wurde. Einige wenige OPERA-Mitarbeiter sollen die Arbeit jedoch nicht unterzeichnet haben, da sie nicht vollständig von ihrer Stimmigkeit überzeugt sind.

Die Diskrepanz von 57,8 ns wurde folgendermaßen ermittelt: Zuerst wurde eine „Blindanalyse“ durchgeführt, um mögliche Verzerrungen durch Beobachter-Voreingenommenheit zu vermeiden. Dafür wurden zuerst überholte und unvollständige Werte aus dem Jahr 2006 für die Strecke und den technisch bedingten Verzögerungen benutzt. Die Datenanalyse der Messung unter diesen „blinden“ Bedingungen ergab eine vorzeitige Neutrinoankunft von 1043,4 ns, d. h. bei diesem Wert stimmten Protonenwellenform bei der Emission mit den Neutrinoereignissen bei der Detektierung überein. Danach wurden die Daten neu analysiert unter Berücksichtigung der vollständigen Fehlerquellen. Sofern Neutrino- und Lichtgeschwindigkeit gleich gewesen wären, hätte sich ein Korrekturwert von -1043,4 ns ergeben müssen, um obigen Wert auszugleichen. Jedoch ergab sich ein Korrekturwert von nur -985,6 ns.

Vorzeitige Neutrinoankunft (Blindanalyse)	1043,4 ± 7,8 ns
Korrektur Basislinie	-796,5 ns
Korrektur CNGS	-557,2 ns
Korrektur OPERA	17,4 ns
Korrektur GPS	350,7 ns
Bereinigte Neutrinoankunft	57,8 ± 7,8 ns

Die OPERA-Forscher wollen aus den Ergebnissen keine weitergehenden Schlüsse ziehen und haben mitgeteilt, dass weitere Forschungen und unabhängige Tests notwendig sind, um völlige Klarheit über Richtigkeit oder Falschheit des Resultats zu erhalten. Auch andere Gruppen haben angekündigt, die Möglichkeit entsprechender Messungen zu prüfen. Beispielsweise wird die MINOS-Gruppe ihr Experiment von 2007 mit erhöhter Präzision wiederholen, wobei mit Ergebnissen um 2012 und mit größerer Präzision ab 2013 zu rechnen ist. Die OPERA-Gruppe wird 2012 ebenfalls weitere Tests durchführen.

Eine abschließende Beurteilung des OPERA-Resultats durch die wissenschaftliche Gemeinschaft steht aufgrund des Fehlens unabhängiger Bestätigungen noch aus. Zweifel an der Gültigkeit hängen mit den negativen Ergebnissen der vorherigen Experimente zusammen. So hätten die 10-MeV-Neutrinos von SN1987 um Jahre früher ankommen müssen als tatsächlich beobachtet, wenn sie dieselbe Geschwindigkeit wie die CNGS-Neutrinos gehabt hätten. Dazu kommt vor allem die Tatsache, dass eine große Zahl von Hochpräzisionsexperimenten die spezielle Relativitätstheorie bislang bestätigt haben.

Siehe auch: Tests der speziellen Relativitätstheorie und Moderne Tests der Lorentzinvarianz

Theoretische Untersuchungen

Prinzipiell sind scheinbare Überlichtgeschwindigkeiten durch die spezielle Relativitätstheorie nicht ausgeschlossen, da sich dieses Verbot nur auf Signalgeschwindigkeiten größer als c in Inertialsystemen bezieht. Eine Überschreitung der Signalgeschwindigkeit hätte Kausalitätsverletzungen zur Folge, wodurch beispielsweise ein hypothetisches Antitelefon zur Übermittlung von Nachrichten in die Vergangenheit benutzt werden könnte. Hingegen ist das Auftreten von Gruppengeschwindigkeiten größer als c durchaus erlaubt, bei denen keine Signale übermittelt werden. Eine exotischere Möglichkeit wären Tachyonen, welche dauerhaft mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt wären und nicht im Widerspruch zur speziellen Relativitätstheorie stehen. Daneben gibt es einige die spezielle Relativitätstheorie verletzende Modelle, wonach Neutrinos entweder „Abkürzungen“ durch Extradimensionen nehmen könnten, oder wonach Verletzungen der Lorentzinvarianz die Dispersionsrelation für Neutrinos verändern könnten, wodurch sie Überlichtgeschwindigkeit erreichen könnten. Die meisten dieser Modelle sind allerdings umstritten und wenig verbreitet. Ob irgendeines dieser Modelle (ob in Übereinstimmung oder im Widerspruch zur speziellen Relativitätstheorie) die OPERA-Neutrino-Anomalie erklären kann, sofern sie bestätigt wird, ist unbekannt.

Es wurde eine Reihe von arXiv-Vorabveröffentlichungen (die allerdings keinem Peer-Review unterliegen) zu diesem Thema veröffentlicht. Davon wurde eine Arbeit von Andrew G. Cohen und Sheldon Lee Glashow von Physical Review Letters zur Veröffentlichung akzeptiert. Die Autoren wenden den Vakuum-Tscherenkow-Effekt auf Neutrinos an und prognostizieren die Produktion von Elektron-Positron-Paaren, wodurch die Neutrinos in kurzer Zeit erheblich an Energie verlieren würden, was jedoch nicht beobachtet wurde. Dies wird von den Autoren als „signifikanter Einwand“ gegen das OPERA-Resultat gewertet. Eine anschließend darauf (Oktober 2011) durch ICARUS durchgeführte Messung an Neutrinos von CNGS (die auch von OPERA benutzt wurden) führte ebenfalls zu keinem Anzeichen des Vakuum-Tscherenkow-Effekts, was vom ICARUS-Team als Widerlegung des OPERA-Resultats gedeutet wurde, sofern das Cohen-Glashow-Modell korrekt ist. Allerdings gibt es einige andere, weniger akzeptierte Modelle, die Überlichtgeschwindigkeit auch ohne Vakuum-Tscherenkow-Effekt erlauben, wie beispielsweise Theorien, bei denen Neutrinos Extradimensionen durchqueren.

Begutachtete Veröffentlichungen

• Cohen, Andrew G.; Glashow, Sheldon L.: Pair Creation Constrains Superluminal Neutrino Propagation. In: Physical Review Letters. 107. Jahrgang, Nr. 18, S. 181803, doi:10.1103/PhysRevLett.107.181803, arxiv:1109.6562. 

• Altschul, Brett: Consequences of neutrino Lorentz violation for leptonic meson decays. In: Physical Review D. 84. Jahrgang, Nr. 9, S. 091902, doi:10.1103/PhysRevD.84.091902, arxiv:1110.2123. 

• Nojiri, Shin’ichi; Odintsov, Sergei D.: Could dynamical Lorentz symmetry breaking induce the superluminal neutrinos? In: The European Physical Journal C. 71. Jahrgang, Nr. 11, S. 1801, doi:10.1140/epjc/s10052-011-1801-4, arxiv:1110.0889. 

• Davoudiasl, Hooman; Rizzo, Thomas G.: Testing the OPERA superluminal neutrino anomaly at the LHC. In: Physical Review D. 84. Jahrgang, Nr. 9, S. 091903, doi:10.1103/PhysRevD.84.091903, arxiv:1110.0821. 

• Cacciapaglia, Giacomo; Deandrea, Aldo; Panizzi, Luca: Superluminal neutrinos in long baseline experiments and SN1987a. In: Journal of High Energy Physics. 2011. Jahrgang, Nr. 11, S. 137, doi:10.1007/JHEP11(2011)137, arxiv:1109.4980. 

• Bi, Xiao-Jun; Yin, Peng-Fei; Yu, Zhao-Huan; Yuan, Qiang: Constraints and tests of the OPERA superluminal neutrinos. In: Physical Review Letters. arxiv:1109.6667.  (akzeptiert)

Siehe auch

• Pioneer-Anomalie
• Fly-by-Anomalie
• LSND

Weblinks

Nature

• Geoff Brumfiel: Particles break light-speed limit. NatureNews, 23. September 2011, abgerufen am 19. November 2011. 

• Eugenie Samuel Reich: Speedy neutrinos challenge physicists. In: Nature. 477. Jahrgang, Nr. 7366, 27. September 2011, S. 520, doi:10.1038/477520a (nature.com). 

• Eugenie Samuel Reich: Faster-than-light neutrinos face time trial. NatureNews, abgerufen am 19. November 2011. 

• Eugenie Samuel Reich: Finding puts brakes on faster-than-light neutrinos. NatureNews, abgerufen am 19. November 2011. 

• Eugenie Samuel Reich: Neutrino experiment replicates faster-than-light finding. NatureNews, 18. November 2011, abgerufen am 19. November 2011 (10.1038/nature.2011.9393). 

Science

• Adrian Cho: Neutrinos Travel Faster Than Light, According to One Experiment. ScienceNow, 22. September 2011, abgerufen am 19. November 2011. 

• Adrian Cho: From Geneva to Italy Faster than a Speeding Photon? In: Science. 333. Jahrgang, Nr. 6051, 30. September 2011, S. 1809, doi:10.1126/science.333.6051.1809. 

• Edwin Cartlidge: Faster-Than-Light Result to Be Scrutinized. ScienceInsider, 21. Oktober 2011, abgerufen am 19. November 2011. 

• Edwin Cartlidge: Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains. ScienceInsider, 17. November 2011, abgerufen am 19. November 2011.