Eine Sensation die die Physik umstoßen wird erschüttert die Welt!! Man hat Neutrinos gemessen die schneller als das Licht waren! Oder ist das nur das neueste Arsen-Bakterium?
Um das kurz vorweg zu beantworten, weder noch. Weder würde es die Physik sofort umstoßen wenn Neutrinos tatsächlich schneller als Licht gewesen wären. Sehr wahrscheinlich ist das Ergebnis eh nur ein bislang unbekannter systematischer Effekt, der noch gefunden werden will.
Aber es ist auch nicht ein neues Arsen-Bakterium. Wir erinnern uns, mit großer Sensationslust war ein Paper in Science gepusht worden, das angeblich Bakterien gefunden hatte, die Arsen in ihre DNA einbauten. Aber bei genauerem Hinsehen verschwand alles sehr schnell in einem Netz aus Zweifel, und nicht unternommenen zusätzlichen Experimenten zur Klärung. Bei der Neutrinos von OPERA ist die Situation anders. Auch wenn ich mir nicht vorstellen kann, dass die Forscher ausreichend versucht haben, die Aufmerksamkeit vor der Pressekonferenz nicht so hoch kochen zu lassen wie es passiert ist, scheinen sie bei der Konferenz selbst und im gestern dazu erschienenen Preprint sehr solide und gründlich von allen möglichen Seiten auf das Problem geschaut zu haben (wobei das mein Hauptkritikpunkt bleibt: Es kann nicht angehen dass Pressekonferenzen angesetzt sind und Gerüchte durch die Medien kochen ohne dass das Paper bereits wenigstens im arXiv steht!).

Die OPERA-Kollaboration ist natürlich auch sehr groß, die erste Seite des Papers ist nur Namen gewidmet. Da haben viele Leute viele Aspekte beigetragen, und es ist völlig richtig im wissenschaftlichen Prozess, jetzt auf die Ergebnisse hinzuweisen; mit dem Aufruf dass andere doch mal drauf schauen, versuchen Löcher hinein zu pieksen oder die Experimente nachzubauen; oder die Experimente ähnlich aber mit etwas anderen Parametern zu erweitern.

The Fat Lady

Das Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) gehört zu den Long Baseline Neutrino-Experimenten, das sich damit befasst, die Umwandlung von Neutrinos in ihre unterschiedlichen Geschmacksrichtungen zu beobachten. Im verlinkten Artikel habe ich auch kurz beschrieben, wie der Detektor funktioniert.

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Der Detektor steht 730 km entfernt vom CERN in einer tiefen Mine in Italien, dem Gran Sasso-Laboratorium. Er wird von einem Teilchenbeschleuniger am CERN mit Neutrinos versorgt. Der Beschleuniger SPS schießt zwei Bündel von Protonen im Abstand von 50 ms mit einer Energie von 400 GeV und einer Bündellänge von 10.5 µs auf einen 2 m langen Graphitblock. Der Name dieses Experimentteils ist pragmatisch gewählt, CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS). Hinter dem Ziel werden entstandene Mesonen (Pionen/Kaonen) fokussiert; und zerfallen dann im Flug in einer Vakuumröhre in Myonen und Neutrinos. Die Reste an hadronischem Klump werden ausgefiltert, die Myonen detektiert und nur die Neutrinos auf die Reise nach Gran Sasso geschickt. Dort will man hauptsächlich messen, wieviele dieser (Myon-)Neutrinos sich auf der Reise in Tauon-Neutrinos umgewandelt haben.

Aber es ist noch ein weiteres Experiment möglich, nämlich die Bestimmung der Reisegeschwindigkeit. Man erwartet, dass diese bei dieser Energie sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum liegt, nur etwa Bruchteil von 10-19 darunter, abhängig von der tatsächlichen Masse des Neutrinos. Bisherige Bestimmungen haben aber gerade mal eine obere Grenze von 10-5 bestimmen können. Aber damit wissen wir schon einmal: Wir schießen sehr nahe um c. Das erklärt auf jeden Fall, wieso wir überhaupt in die Verlegenheit kommen, uns mit Überlichtgeschwindigkeit befassen zu müssen.

Maximale Wahrscheinlichkeiten

Die Messung der Geschwindigkeit ist aber leider nicht so einfach, und da haben die Forscher und Forscherinnen in Zusammenarbeit mit Metrolog_innen (das sind Menschen die sehr sehr genau messen) besonders an der Technik zur Zeitbestimmung gearbeitet.

Das Problem ist zunächst, genau zu stempeln, wann das Proton das Beschleuniger verlässt und wann das Neutrino detektiert wird. Wir sprechen hier von einer Genauigkeit von wenigen Hunderttausendstel. Dazu musste man spezielle GPS-Systeme installieren, die in Verbindung mit Atomuhren genaue Zeitraummessungen ermöglichen.
Wir wissen leider nicht genau, wo im CNGS das Proton zerfällt, das bringt einen Fehler hinein. Da dies ein Fehler des generellen Aufbaus ist, der immer so bleiben wird, spricht man von einem systematischen Fehler; im Gegensatz zu statistischen Fehlern die aus der Auswertung kommen und die abnehmen sollten wenn man länger misst. Dieser systematische Fehler ist berücksichtigt, aber nicht überwältigend groß, da die Länge von CNGS im Vergleich zur Gesamtstrecke ja doch klein ist.

Jetzt ist es aber leider nicht so, dass wir eine Entsprechung hätten, die sagt: Hey, dieses Proton hat dieses Neutrino erzeugt. Im Gegenteil. Neutrinos sind ja leider eher reaktionsträge. So hat man etwas mehr als 16000 Neutrinos, die aber aus etwa 1020 Protonen stammten. Und die Protonen kommen ja auch nicht einzeln aus dem Beschleuniger, sondern in Bündeln. Man kann also nicht genauer als auf die Länge eines Bündels festlegen, wo das Neutrino herkam.

Es sei denn – man unternimmt clevere Statistik.

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Reproduziert aus: OPERA 2011

Das Protonbündel hat eine gewisse Struktur, wie ihr im Bild oben seht. Diese stammt aus der Arbeit des Beschleunigers. Die fünf großen Gipfel resultieren aus der Art, wie die Protonen aus dem Vorbeschleuniger PS entnommen werden. Die feinere Struktur im rechten Teil des Bildes stammt aus der Radiofrequenz des SPS-Beschleunigers von 200 MHz, die den Teilchen Energie liefert.

Diese Verteilung ist aber auch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung dafür, ein Proton aus dem Bündel auszuwählen. Wenn man ein Neutrino in OPERA findet, kann man nachschauen wie das Protonenbündel aussah und weiß, wie wahrscheinlich eine bestimmte Position im Bündel war – so wie die Form im Bild oben.

Sammelt man nun sehr viele Neutrinos, kann man die Wahrscheinlichkeitskeitsverteilungen für die Protonen aufsummieren und erhält eine bestimmte Form. Diese Form sollte man aber auch wiederfinden, wenn man die Zeitstempel der Neutrinos aufmalt. Da aber die Flugzeit immer gleich sein sollte, sollte man durch Addieren einer konstanten Zeit auf die summierte Verteilung der Protonen die Verteilung der Neutrinos erhalten.
Hier, im Bild sieht man es besser:

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Reproduziert aus: OPERA 2011

Man sieht in allen Plots als Punkte mit Fehlerbalken die Neutrinozeitstempel, und als rote Linien die Protonenwahrscheinlichkeitsverteilung. In der oberen Reihe sind die blind gesetzten Zeiten, man hat die Analyse nämlich durchgeführt ohne die genauen Spezifikationen des Messuafbaus hineinzusetzen, um Vertrauen in die Ergebnisse zu stärken. Darunter sieht man den Maximum Likelihood-Fit der Zeitverschiebung, die uns die Flugzeit angibt. Links und rechts sind das erste und zweite Protonbündel je Extraktion aus dem Beschleuniger aufgezeichnet.

Der Maximum-Likelihood-Fit sucht als den Parameter der Zeitverschiebung, der die rote Kurve so legt dass sie den kleinsten Abstand von den Messpunkten hat. Die Übereinstimmung ist, dank der großen Zahl an Neutrinos, sehr gut.
Der Fehler in dieser Bestimmung ist der statistische Fehler. Zusammen mit der Liste der systematischen Fehler im Messaufbau schließlich kann man den Unterschied zur Lichtgeschwindigkeit angeben, mit der die Neutrinos gereist sind:

(2.48 ± 0.28 (stat.) ± 0.30 (sys.)) * 10-5

POSITIV! Das hieße, die Neutrinos wären 0.000025 c schneller als das Licht gewesen. Man sieht, statistischer und systematischer Fehler sind klein im Vergleich zu dieser Zahl.

Somit ist eine Folgerung: Statistisch gesehen ist das Ergebnis stabil. Im Rahmen der bekannten systematischen Fehler ist es ebenfalls stabil. Das heißt aber nicht, dass man alle systematischen Fehler kennt!! Hier kann ein entscheidendes Element der Fehlersuche liegen, das das Ergebnis auch schnell wieder in den physikalisch grünen Bereich treiben kann.

Matt Strassler hat einige Anmerkungen, die lesenswert sind. Unter anderem weist er daraufhin, dass man die systematischen Fehler quadratisch addiert hat. Das ist für unabhängige Fehler wie statistische Fehler ok, mag aber hier eine zu starke Annahme sein (dass alle Fehler im Aufbau unabhängig sind). Im worst case, dass man alle systematischen Fehler linear aufaddiert, wäre der systematische Teil deutlich größer, zu groß um das Ergebnis signifikant zu machen.

Was nun?

Insgesamt sind also die Experimente mit großer Genauigkeit unternommen worden, mit Monte Carlo-Simulationen getestet worden, Tageszeiten, Jahreszeiten und die Bewegung der Erdkruste beachtet, und was noch alles; aber vermutlich hat man eben doch irgendwo etwas übersehen, eine zu starke Annahme gemacht; oder ein Gerät tut nicht das was es sollte oder nicht so genau wie es sollte, es kann irgendetwas dieser Art sein und alles ist viel wahrscheinlicher als dass die Neutrinos schneller als das Licht waren.
Das Paper ist nicht einmal durch ein Review gelaufen, andere Forscher haben es sich noch nicht ansehen können und weitere Experimente haben es noch nicht bestätigt (auch wenn MINOS mal so etwas mit geringerer Signifikanz gesehen hat).

Selbst wenn nun weitere Experimente diesen Effekt beobachten, vor allem auch bei anderen Neutrinoenergien, wäre damit nicht sofort die Relativitätstheorie falsch. Diese ist schließlich in unzähligen Experimenten bis zu gigantischer Präzision bestätigt worden. Selbst für den Fall dass die in einem Teilaspekt falsch wäre, wäre höchstens eine Modifikation vonnöten, schließlich werden nicht dadurch plötzlich alle Experimente falsch die die Vorhersagen der Relativitätstheorie genau (und viel genauer als 10-5) gefunden haben.

Also: Hut aufbehalten, abwarten.

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Bildquelle: xkcd unter einer CC


Kommentare (9)

  1. #1 KommentarAbo
    09/23/2011

  2. #2 Manuel Krüger
    09/24/2011

    Guter Beitrag

  3. #3 IsabellaP
    09/24/2011

    Danke für diesen Beitrag. Bringt Licht in einige Unklarkheiten.

  4. #4 Frank Wappler
    09/24/2011

    Jörg Rings schrieb (23.09.11 · 19:45 Uhr):
    > Der Detektor steht 730 km entfernt vom CERN in einer tiefen Mine in Italien, dem Gran Sasso-Laboratorium.

    Tief im Berg; allerding auf einer Höhe von ca. 1000 m, d.h. ca. 600 m höher als CERN.

    Übrigens:
    Neigung der Strahlrichtung gegenüber der Vertikalen am LNGS (als auch am CERN) ca. 90° + 1/2 * 360° * 730 km / 40000 km = 93,285°;

    Sqrt[ (730 km)^2 + (0,6 km)^2 – 2 * Cos[ 93,285° ] * 730 km * 0,6 km ] = 730,035 km …

  5. #5 Till
    09/24/2011

    Danke fuer den sachlichen Beitrag, der mich ermutigt hat, das Paper tatsächlich zu lesen, und der es gut zusammenfasst. Dass es sich nicht um einen statistischen Fehler handelt, scheint klar. Allerdings sind die aus dem Paper zitierten Grafiken etwas missverständlich beschriftet (und durch das Weglassen der Beschreibung hier wird nicht klar, was gemeint ist):

    Die Angabe von dt = 1048 ns bezieht sich auf die “Blind”-Werte, von denen noch mal 987.8 ns “Korrekturen” abgezogen werden (Tabelle auf Seite 15), wobei sich diese 987.8 ns als Summe positiver wie negativer Korrekturen ergibt. Ein geringer systematischer Fehler der Korrekturfaktoren von unter 5% würde also ausreichen, das Ergebnis zu erklären.

    Anders gesagt, urspruenglich hatte man “blind” eine Differenz von ueber 1000 Nanosekunden gemessen; voellig klar, dass das nicht richtig sein konnte. Anschliessend hat man sich daran gemacht, moegliche systematische Fehler zu finden und kommt dabei auf 987.8 ns. Nun meint man, alle Fehler gefunden und korrekt abgezogen zu haben, und die verbleibende Differenz reduziert sich auf ca 60 ns. Ich bin sicher, man hat da so gut es geht gearbeitet, kann mir aber gut vorstellen, dass die verbleibenden 60 ns bei einer genaueren Untersuchung auch noch verschwinden werden.

  6. #6 Jörg
    09/24/2011

    Till: Danke, ja deine Erklärung ist deutlich besser, ich bin da etwas drübergehoppelt…

  7. #7 pascal
    09/25/2011

    Im Paper steht, dass sie die Strecke auf ±20cm gemessen haben, mit einer Flugzeit von 1048.5ns kommt man da doch schon auf ±6 * 10^-4 c…?! (disclaimer: habe keine Ahnung)

  8. #8 klauszwingenberger
    09/26/2011

    Was mich am meisten belustigt, ist die Champagnerstimmung, die unter den notorischen Relativitätsleugnern ausgebrochen ist.

    Niemand denkt dort etwa daran, dass selbst die Entdeckung eines realen Phänomens nicht zur Folge hätte, dass eine Rückkehr zu vorrelativistischer Physik anstünde, sondern allenfalls ein Schritt zur Weiterentwicklung unter Einschluss der RT, die eine riesige Zahl von Beobachtungen verlässlich beschreibt.

  9. #9 Frank Wappler
    12/28/2011

    Frank Wappler schrieb (24.09.11 · 09:07 Uhr):
    > […] allerding[s] auf einer Höhe von ca. 1000 m, d.h. ca. 600 m höher als CERN.
    Übrigens: […] 730,035 km …

    Ebenfalls bemerkenswert (hinsichtlich der Größenordnung des oben genannten Ergebniswertes, im Zusammenhang mit gewissen “Entfernungs“-Abschätzungen zwischen Beteiligten in bestimmten “Höhen-Lagen”):

    n[ 101,325 kPa ] – n[ 91,325 kPa ] =~= 2,7 * 10-5,

    z.B. nach http://emtoolbox.nist.gov/Wavelength/Ciddor.asp