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21.10.2011
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Rätsel für Physiker

Was macht Neutrinos so rasend schnell?

Von
DER SPIEGEL

Neutrino-Pfad von Genf zum Gran-Sasso-Massiv: Gravierender Verstoß gegen Tempolimit

Sind Neutrinos, Elementarteilchen mit extrem geringer Masse, schneller als Licht? Ein Experiment am Forschungszentrum Cern scheint das zu belegen - und erschüttert die Grundfesten der Physik. Nun suchen Forscher nach der besten Erklärung für das Phänomen. Der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt.

Berlin - Vor nicht einmal vier Wochen sorgte eine Geschwindigkeitsmessung für große Aufregung in der Physikergemeinde. Neutrinos könnten sich minimal schneller bewegen als Licht, berichteten Wissenschaftler des internationalen Opera-Projekts. Dies hätten Messungen von Neutrinos ergeben, die vom Forschungszentrum Cern in Genf unterirdisch ins 730 Kilometer entfernte Gran-Sasso-Massiv nahe Rom gerast waren.

Die Publikation grenzte fast schon an Gotteslästerung. Schließlich gilt die Lichtgeschwindigkeit seit Albert Einsteins Relativitätstheorie als größtmögliche Geschwindigkeit im Universum. Und alle bisherigen Experimente hatten dies bestätigt. Warum sollte das bei den nun vermessenen Neutrinos anders sein?

Eine plausible Erklärung für das Überschreiten des kosmischen Geschwindigkeitslimits hatten die Forscher des Opera-Experiments nicht parat. Doch inzwischen haben Physiker aus der ganzen Welt Dutzende Theorien dafür entwickelt und auf der Plattform arxiv.org hochgeladen. Mehr als 50 Fachartikel sind bereits zusammengekommen - und es werden täglich mehr. Die Aussicht, ein scheinbar widersinniges Messergebnis aufklären zu können, treibt die Forscher an.

Dass es sich schlechterdings um Messfehler handeln könnte, glauben die Experimentatoren schon selbst ausgeschlossen zu haben. In den nun publizierten Erklärungen für die Überlichtgeschwindigkeit geht es daher in der Regel um bislang unbewiesene Theorien für das Phänomen.

Argyris Nicolaidis von der Universität Thessaloniki versucht es mit Stringtheorie. Weil es demnach noch mehr als die uns bekannten vier Dimensionen gibt, könnten die Neutrinos Abkürzungen in der Raumzeit genommen haben. Der Grieche schlägt sogar weitere Messungen vor, um den zusätzlichen, für uns Menschen kaum vorstellbaren Dimensionen auf die Spur zu kommen.

Neue Chance für Äthertheorie?

In eine andere Richtung geht ein Aufsatz des Holländers Frans Klinkhamer. Nach seinem Modell erreicht ein Teil der Neutrinos Überlichtgeschwindigkeit , der andere hingegen nicht. Laut dem Standardmodell der Teilchenphysik gibt es drei verschiedene Arten des Elementarteilchens: Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und Tau-Neutrino. Myon-Neutrinos könnten laut Klinkhamer tatsächlich schneller als das Licht unterwegs sein, Elektron-Neutrinos hingegen nicht.

Fast schon esoterisch im Vergleich dazu wirkt die Erklärung des Franzosen Thierry Delort. Wenn die Messungen stimmten, dann sei Einsteins Relativitätstheorie falsch, schreibt der Forscher. Die einzige Alternative zur Speziellen Relativitätstheorie sei eine moderne Äthertheorie.

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Rätselhafte Neutrinos: Schneller als das Licht?
Die Idee des Franzosen ist nicht neu. Ende des 19. Jahrhunderts waren nicht wenige Physiker der Meinung, dass der Raum des Universums mit Äther gefüllt ist, einer Art Medium für das Licht. Schallwellen benötigen als Medium Luft oder Wasser, um sich auszubreiten. Der Lichtäther müsse ganz ähnlich funktionieren, argumentierte man damals. Doch das sogenannte Michelson-Morley-Experiment von 1887 widerlegte die Äthertheorie. 1905 legte Einstein die Spezielle Relativitätstheorie vor - das Konstrukt Äther schien endgültig obsolet. Delort führt es nun wieder ein.

Zweifel am Experiment bleiben

Es gibt aber auch Wissenschaftler, die die Messergebnisse schlicht für falsch halten. Sie berufen sich dabei auf das Standardmodell der Teilchenphysik, das in vielen Bereichen als gesichert und experimentell bewiesen gilt. Die größten Probleme bereitet die Frage, was Materie Masse verleiht. Das postulierte Higgs-Boson wurde bislang nicht nachgewiesen, womöglich ergeben die Experimente am Teilchenbeschleuniger LHC in Genf ja auch Hinweise auf einen ganz anderen Mechanismus.

Der Theoretiker Matthew Strassler schreibt in seinem Blog, dass laut Standardmodell auch Elektronen schneller als das Licht sein müssen, wenn Neutrinos Überlichtgeschwindigkeit erreichen. In Experimenten habe man dies jedoch niemals beobachten können.

Der Nobelpreisträger Sheldon Glashow rechnet in seinem Paper vor, dass ein Neutrino mit Überlichtgeschwindigkeit über die sogenannte Bremsstrahlung sehr schnell Energie verlieren würde. Deshalb könne es, so argumentiert der Forscher, diese hohe Geschwindigkeit auch nicht beibehalten. Auf dem Weg des Neutrinos würden nämlich immer wieder Elektronen-Positronen-Paare entstehen. Diese sogenannte Cohen-Glashow-Emission würde letztlich dazu führen, dass die Neutrinos sich immer langsamer bewegen - Überlichtgeschwindigkeit über Hunderte Kilometer ausgeschlossen.

Auf eine belastbare Erklärung müssen die Physiker aber zunächst weiter warten. Gewissheit werden letztlich wohl nur weitere Experimente bringen. Entweder wird das Phänomen dabei bestätigt, oder aber es erweist sich als großer Irrtum.

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insgesamt 124 Beiträge
1. plausible Erklärung: Bewegung der Uhren nicht mitberücksichtigt
rty 21.10.2011
Details: https://www.technologyreview.com/blog/arxiv/27260/
Details: https://www.technologyreview.com/blog/arxiv/27260/
2. Aw:
HariboHunter 21.10.2011
Ich werde die Loesung dieses Mysteriums letzte Woche zu Ihnen geschickt haben, versprochen!
Ich werde die Loesung dieses Mysteriums letzte Woche zu Ihnen geschickt haben, versprochen!
3. Nichts überbewerten
Thorsten_Barcelona 21.10.2011
Hallo, man sollte diese vorläufigen Ergebnisse nicht überbewerten, sondern die weitere Entwicklungen abwarten. Ausserdem wird die Rolle vom CERN hier überbewertet. Das CERN stellt meines Wissens lediglich den [...]
Hallo, man sollte diese vorläufigen Ergebnisse nicht überbewerten, sondern die weitere Entwicklungen abwarten. Ausserdem wird die Rolle vom CERN hier überbewertet. Das CERN stellt meines Wissens lediglich den Neutrino-Strahl, während der Detektor, der das Ergebnis liefert, ein internationales Projekt ist, dass nicht direkt der Kontrolle des CERNs untersteht. Davon abgesehen, scheint es auch innerhalb dieser internationalen Kollaboration Zweifel an den Ergebnissen zu geben. Ich habe die Autorenliste der Veröffentlichung nicht mit der Liste der Kollaborationsmitglieder abgeglichen, aber man sagte mir, dass nicht die gesamte Kollaboration diese Veröffentlichung gezeichnet hat. In jedem Fall bleibt auch ein Zweifel, da diese Ergebnisse meines Erachtens früheren Messungen widersprechen. Der gemessene Effekt scheint klein zu sein, aber nur weil die Strecke mit etwa 700 km kurz ist. In 1987 wurde eine Supernova in der Magellanischen Wolke, eine Mini-Galaxie in direkter Nachbarschaft der Milchstrasse, beobachtet. Wenn man das Ergebnis des Experiments auf diese Supernova anwendet und berücksichtigt die wesentlich größere Distanz, dann hätten die Neutrinos etwa 4-5 Jahre vor dem Licht ankommen müssen, was nicht der Fall war. Sicherlich könnte man auch hierfür eine Theorie entwickeln aufbauend auf den unterschiedlichen Energien der Neutrinos, aber das würde doch etwas "gekünstelt" wirken. Insofern würde ich vorschlagen, die Ergebnisse mit Interesse zur Kenntnis zu nehmen, sie aber nicht überbewerten. Die Zeit wird zeigen, ob die Ergebnisse wirklich solide sind. Mit freundlichen Grüssen
4. letiT
Schakutinga 21.10.2011
http://dvice.com/archives/2011/10/speedy-neutrino.php
Zitat von rtyDetails: https://www.technologyreview.com/blog/arxiv/27260/
http://dvice.com/archives/2011/10/speedy-neutrino.php
5. Passt in's Bild
horstma 21.10.2011
Die Sache ist womöglich ganz einfach. Im letzten Jahrhundert ging man davon aus, daß die grundlegenden Naturgesetze ganz einfach sein müssen, basierend auf knallharten Konstanten, die im ganzen Universum gelten. Die Annahme [...]
Die Sache ist womöglich ganz einfach. Im letzten Jahrhundert ging man davon aus, daß die grundlegenden Naturgesetze ganz einfach sein müssen, basierend auf knallharten Konstanten, die im ganzen Universum gelten. Die Annahme ruhemasseloser Photonen, die sich im Vakuum mit genau c bewegen müssen, gehört in diese Kategorie. Dieses Weltbild ist spätestens in dem Moment zusammengestürzt, als man zur Erklärung gewisser Phänomene eine dunkle Materie einführen musste. Es geht dabei nicht um die 10. Nachkommastelle einer abstrusen Theorie, sondern u.a. um Galaxien, die völlig "falsch" rotieren, also um Probleme galaktischen Ausmaßes. Inzwischen ordnet man auch den Photonen eine winzige Ruhemasse zu, und ähnlich wie bei den Neutrinos ist diese im Moment noch nicht messbar. Mit dieser Zuordnung begräbt man aber auch die Theorie, daß Photonen sich mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit bewegen. Das Phänomen der Neutrinooszillation belegt, daß auch Neutrinos eine winzige Ruhemasse haben müssen - die ebenfalls unbekannt ist. Warum sollten sich Neutrinos nicht eine Spur schneller als Photonen bewegen können? Die Idee einer maximal erreichbaren Geschwindigkeit ist vermutlich richtig, nur sie wird eben weder von Neutrinos noch von Photonen ganz erreicht. Womöglich von keinem real existierenden Teilchen. Die Neutrinos sind eine Spur näher dran. Damit würde die Teilchenphysik nicht in sich zusammenstürzen, sondern die Konstante c lediglich zu einer theoretischen Konstante werden, die um ein paar ppm nach oben korrigiert werden muss. Ich habe den Originalartikel der Schweizer Wissenschaftler ausgiebig studiert. Zwischen den plausibel berechneten Fehlergrenzen des Experiments und dem "Geschwindigkeitsüberschuß" der Neutrinos liegt der Faktor 90. Das gibt keine Schlamperei bei der Messung her, da ist kein Spielraum für fast 2 Zehnerpotenzen. Entweder liegt ein grundlegender grober Fehler vor, oder es ist halt so.

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