Einsteins Tempolimit gilt auch für Neutrinos!

 Teilchenfänger: Neutrinos, die im OPERA-Experiment gemessen wurden, sind entgegen den ersten Anzeichen nicht mit Überlichtgeschwindigkeit unterwegs. (Foto: CERN)
Teilchenfänger: Neutrinos, die im OPERA-Experiment gemessen wurden, sind entgegen den ersten Anzeichen nicht mit Überlichtgeschwindigkeit unterwegs. (Foto: CERN)
Ausgeträumt: Die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit, die das OPERA-Experiment letztes Jahr gemessen zu haben schien, war ein instrumenteller Fehler. Neue Daten belegen: Die ominösen Geisterteilchen sind nicht schneller, als es die Relativitätstheorie erlaubt.
Obwohl alle Physiker skeptisch waren, sorgte die Meldung letztes Jahr auf der ganzen Welt für Schlagzeilen: 15.000 Myon-Neutrinos, die im Lauf mehrerer Jahre vom Kernforschungszentrum CERN bei Genf 730 Kilometer durch die Erde zum OPERA-Detektor im Gran Sasso geschossen wurden, sollten die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit um 0,0025 Prozent übertroffen haben ( wissenschaft.de und bild der wissenschaft 11/2011 berichteten). Das 2006 begonnene OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) dient zur Erforschung der Neutrinos. Diese geisterhaften Elementarteilchen wechselwirken fast nicht mit Materie und durchdringen daher auch riesige Felsmassen ungehindert. Die Elementarteilchen kamen rund 60 Milliardstel Sekunden früher an, als von der Speziellen Relativitätstheorie vorausgesagt.

Doch im Februar 2012 wurde das Ergebnis einer aufwendigen technischen Überprüfung von OPERA publik: Anscheinend hatten ein nicht exakt angeschraubter Stecker und ein Fehler in einem Intervallzähler die GPS-Signale zur Zeitmessung systematisch verzerrt und die Physiker genarrt ( wissenschaft.de und bild der wissenschaft 5/2012 berichteten). Weitere Überprüfungen und neue Experimente haben diesen Verdacht jetzt bestätigt. Die Neutrinos sind doch nur (fast) lichtschnell unterwegs. Entwarnung also an der Forschungsfront der Physik ? und durchaus auch eine gewisse Enttäuschung.

Langwierige Fehlersuche

Von Anfang an waren die OPERA-Forscher vorsichtig und skeptisch gewesen. Sie hatten sich aber ihre Daten nicht erklären können ? und zumindest ein statistischer Fehler war ausgeschlossen. Deshalb machten sie ihr seltsames Ergebnis am 23. September 2011 publik, zumal die ersten Gerüchte bereits durchgesickert waren.

Seitdem zerbrachen sich zahlreiche Forscher den Kopf. Ein systematischer Fehler war naheliegend ? in der Zeitmessung, Entfernungsbestimmung, Neutrino-Erzeugung oder -Detektion ?, aber auch nach monatelangen Überlegungen und Überprüfungen nicht offenkundig. Weitere Messungen im Oktober und November 2011 mit kurzen (?gepulsten?) Neutrino-Strahlen vom CERN schienen den Überlichtgeschwindigkeitseffekt sogar zu bestätigen und schlossen einige der potenziellen Fehlerquellen aus.

Über 200 wissenschaftliche Artikel wurden geschrieben. Manche Forscher wollten sogar bereits Albert Einsteins Relativitätstheorie zu Grabe tragen. Denn wenn die Neutrinos tatsächlich überlichtschnell unterwegs wären, dann wäre entweder die Spezielle Relativitätstheorie falsch ? oder zumindest eingeschränkt oder nicht anwendbar. Oder Neutrinos wären stets überlichtschnelle Tachyonen, könnten sich durch zusätzliche Raumdimensionen bewegen oder gar in der Zeit zurückreisen. Oder sogar mehreres davon. Und man könnte ? zumindest im Prinzip, und das ist für Physiker alarmierend genug ? Botschaften in die Vergangenheit schicken.

Schnöde Technik als Spielverderber

Dann aber die Ernüchterung: Mitte Dezember bemerkte das OPERA-Team bei akribischen Überprüfungen des gesamten Experiments, dass etwas nicht in Ordnung war. Im Februar kamen dann erste Informationen an die Öffentlichkeit.

Es wurden zwei Fehlerquellen in der Elektronik vor dem OPERA-Detektor entdeckt. Dorthin läuft ein 8,3 Kilometer langes Glasfaserkabel, das die Signale vom GPS-Empfänger und der Atomuhr an der Erdoberfläche zu dem Detektor in einer Kammer neben dem Gran-Sasso-Straßentunnel leitet. Es mündet in ein Gerät, das die Lichtsignale in elektronische Signale umwandelt und an die OPERA-Hauptuhr schickt. Die OPERA-Forscher fanden, dass die exakte Position des Steckers, mit dem das Kabel an das Kästchen angeschraubt ist, die Signalübertragung beeinflusst.

?Weicht das Kabel nur ein wenig von der idealen Position ab, kommt bloß ein Teil des Signals im Kästchen an", erläuterte Caren Hagner von der Universität Hamburg, die zum rund 170-köpfigen OPERA-Team gehört. "Je nach Stärke des Eingangssignals kann die Verzögerung bis zu 100 Nanosekunden betragen." Das ist genau die Größenordnung des Überlicht-Effekts. Und tatsächlich saß der Stecker nicht exakt, als die Forscher die Kabellaufzeiten geprüft hatten.

Ein weiteres Problem betraf einen Intervallzähler. Er erhöht als eine Art Taktgeber der OPERA-Hauptuhr die Präzision der GPS-Messungen, indem er ihnen eine Art Zeitstempel mitgibt und für die Synchronisation der einzelnen Daten sorgt. Auch hier war es zu einem systematischen Fehler gekommen. Zunächst waren die genauen Auswirkungen und Verhältnisse der beiden Fehler unbekannt ? nicht ausgeschlossen schien, dass die Neutrinos sogar noch schneller flogen ?, doch es war klar, dass alles noch einmal überprüft und neu berechnet werden musste. Keine gute Zeit für das OPERA-Team.

ICARUS gegen OPERA

Kurz darauf der nächste Sargnagel für die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit: Der Detektor ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signal), der sich wie OPERA im unterirdischen Forschungslabor Gran Sasso befindet, konnte OPERAs Messungen nicht bestätigen.

ICARUS hatte sieben der Neutrinos vom CERN-Strahl im letzten Oktober/November gemessen, wie der Physik-Nobelpreisträger und ICARUS-Sprecher Carlo Rubbia am 16. März bekannt gab. Die Teilchen waren ? bei einer statistischen Unsicherheit von vier Milliardstel Sekunden ? mit Lichtgeschwindigkeit geflogen, nicht schneller. Das steht in direktem Widerspruch zu OPERAs Resultaten.

Aufklärung und Rücktritt

Ende März traf sich das OPERA-Team dann zu einem Workshop und analysierte die Probleme. Tatsächlich stellte sich das nicht richtig angeschraubte Lichtleiter-Kabel als größte Fehlerquelle heraus: Es ließ das Licht nicht vollständig passieren, so dass es im Empfängerteil zu einer Verzögerung kam, bis die Schwelle zur Signalauslösung überschritten wurde. Ein Uhrenvergleich mit dem benachbarten Neutrinoexperiment LVD (Large Volume Detector) im Gran Sasso mithilfe von Myonen aus der Kosmischen Strahlung ergab, dass Mitte 2008 ein Zeitsprung zwischen LVD und OPERA aufgetreten war. Und damals hatten die OPERA-Forscher begonnen, die Geschwindigkeit der Neutrinos vom CERN zu messen. Als sie dann Ende 2011 das Kabel neu justierten, stimmten die Zeiten wieder miteinander überein.

Es war also anscheinend zu einer systematischen Verzögerung von etwa 74 Milliardstel Sekunden bei dem Kabelstecker gekommen, und die falsch geeichte Hauptuhr führte zu einer ?Beschleunigung? von etwa 15 Milliardstel Sekunden. Das ergibt zusammen den Fehler von rund 60 Milliardstel Sekunden, die die CERN-Neutrinos angeblich ?zu früh? bei OPERA angekommen sind.

Konsequenzen aus den unglücklichen Umständen zogen der OPERA-Sprecher Antonio Ereditato von der Universität Bern und der Physik-Koordinatior Dario Autiero vom Institut für Kernphysik in Lyon, der im September 2011 die überlichtschnelle Nachricht am CERN vorgetragen hatte. Beide traten Ende März von ihren Posten zurück (bleiben aber im OPERA-Team).

Es gab große Spannungen in der internationalen Forschergruppe ? vor allem, inwiefern man mit den Ergebnissen zu voreilig an die Öffentlichkeit gegangen war, zu früh einen wissenschaftlichen Artikel bei einer Zeitschrift eingereicht hatte (der mittlerweile zurückgezogen wurde) und wie überhaupt das Informations- und Arbeitsmanagement verlaufen war. Hinterher ist man immer schlauer, aber sicherlich war nicht alles optimal verlaufen. Manche Forscher fühlten sich auch zu spät informiert und zu wenig eingebunden. Zwar kam keine Zweidrittel-Mehrheit gegen Ereditato und Autiero zusammen ? nach den OPERA-Statuten nötig für eine Ablösung ?, doch eine knappe Mehrheit. Deshalb traten die beiden dann rasch zurück, um weiteren Schaden zu verhindern. Ereditato rechtfertigte aber sein Vorgehen und dass der Öffentlichkeit keine falschen Tatsachen suggeriert wurden und der Irrtum notwendig zur Wissenschaft gehört.

Neue Tests

Fest stand nun auch: Um sicher zu gehen, musste noch ein neuer Test her. Und der war ohnehin für Mai 2012 geplant. Wie im Oktober/November sollte CERN noch einmal zwei Wochen lang kurze Neutrino-Pulse zum Gran Sasso schicken. Damit lässt sich das Timing genau prüfen und eichen. Und so geschah es.

Von diesen neuen Neutrino-Pulsen ab dem 10. Mai profitierten auch drei weitere Experimente im Gran Sasso: ICARUS, LVD und Borexino (Boron Experiment). Sie wurden inzwischen eigens mit genaueren Uhren ausgerüstet. Ihre Messungen sind unabhängig von dem Kabel und der Uhr bei OPERA, also eine echte dreifache Kontrolle.

MINOS gegen OPERA

Nun wurden auf der 25. ? International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics? im japanischen Kyoto die ersten Auswertungen bekannt gegeben.

Außerdem wurden vom MINOS-Experiment (Main Injector Neutrino Oscillation Search) dort neue Daten vorgestellt. Seit 2005 werden Neutrinos auch am Fermilab bei Chicago produziert und auf Detektoren in der Soudan-Mine im Norden Minnesotas geschossen. 2007 gab das MINOS-Team die Geschwindigkeitsmessung von 473 Neutrinos bei Energien um 3 Gigaelektronenvolt bekannt, die die 734,2986 Kilometer lange Strecke zurückgelegt hatten. Tatsächlich schien es, dass auch diese Neutrinos im Mittel um 0,005 Prozent schneller als das Licht waren! Das heißt, sie kamen 126 Milliardstel Sekunden zu früh ans Ziel. Doch die statistische Unsicherheit (1,8 Sigma) war für eine verlässliche Aussage viel zu groß.

Nun berichtete Phil Adamson vom Fermilab in Kyoto von weiteren Messungen aus insgesamt sieben Jahren ? die 8,5-Fache Menge der Publikation von 2007. Die MINOS-Forscher konnten die systematischen Fehler signifikant reduzieren, verbesserten die GPS-Zeitmessungen und analysierten die elektronischen Komponenten der Anlage. Ergebnis: die Neutrinos waren 15 plus/minus 31 Milliardstel Sekunden schneller als das Licht im Vakuum. Somit gibt es im Rahmen der Genauigkeit keine signifikante Abweichung vom Erwartungswert. Auch sind die MINOS-Daten konsistent mit den ICARUS-Messungen. Künftig will das MINOS-Team die Zeitmessungen sogar mit einer Präzision von 2 bis 5 Milliardstel Sekunden machen und nach einer vierten Neutrino-Art suchen (bekannt sind nur drei).

Showdown in Kyoto

Marco Dracos vom OPERA-Team berichtete von einer korrigierten Analyse der Messungen von 2011, die die instrumentellen Fehler berichtigt hat, sowie über die neuen Messungen vom Mai. Ergebnis: Der Überlichtgeschwindigkeitseffekt war verschwunden.

Anschließend sprach Sergio Bertolucci, der Forschungsdirektor vom CERN. Auch er stellte die neuen OPERA-Daten der Mai-Neutrinopulse vor sowie die unabhängigen Messungen von Borexino, ICARUS und LVD. Die Ergebnisse stimmen alle miteinander überein und sind eindeutig: Im Rahmen der Messgenauigkeiten fand kein Experiment Abweichungen von der Lichtgeschwindigkeit. (Weil die Neutrinos eine sehr geringe Masse haben, sind sie tatsächlich etwas langsamer als das Licht im Vakuum, doch dieser Unterschied spielt für die Messungen keine Rolle, er ist viel zu klein.)

Es ist eine großartige Leistung der beteiligten Forscher, so schnell konkrete Zahlen geliefert zu haben. Alle Daten sind allerdings noch vorläufig. Nachfolgend die Zeit in Milliardstel Sekunden, die die Neutrinos vom CERN zum Gran Sasso gegenüber der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit (hier bereits subtrahiert) brauchten:
- Borexino: 2,7 ± 1,2 (stat) ± 3 (sys)
- ICARUS: 5,1 ± 1,1 (stat) ± 5,5 (sys)
- LVD: 2,9 ± 0,6 (stat) ± 3 (sys)
- OPERA: 1,6 ± 1,1 (stat) [+ 6,1; -3,7] (sys)

Die statistischen (stat) und systematischen (sys) Fehler sind auch angegeben. Die Unterschiede zu OPERAS ursprünglichen (Falsch-)Messungen
- OPERA-1: 60,7 ± 6,9 (stat) ± 7,4 (sys)
- OPERA-2: 62,1 ± 3,7 (stat)
sind eindeutig.

?Obwohl dieses Ergebnis nicht dem entspricht, was sich vielleicht manche wünschten, ist es das, was wir alle erwartet haben?, wird Bertolucci in einer CERN-Pressemitteilung zitiert. ?Die Story fesselte die Vorstellungskraft der Öffentlichkeit und gab den Leuten eine Gelegenheit zu verfolgen, wie die wissenschaftliche Methode abläuft ? ein unerwartetes Ergebnis wurde genau analysiert und schließlich dank der Zusammenarbeit normalerweise konkurrierender Forschergruppen erklärt. Das ist es, wie Wissenschaft vorankommt.?

Fazit

Der Fehler mag peinlich sein (und hat in manchen Medien für Spott gesorgt). Aber Irren ist menschlich. Vor allem jedoch: Die wissenschaftliche kritische Methode und die offene Kommunikation der Ergebnisse hat funktioniert. Die Fehler wurden nicht vertuscht, sondern akribisch überprüft, publik gemacht und im Detail analysiert und verstanden. Mehrere andere Experimente (zweimal ICARUS, einmal LVD, Borexino und MINOS sowie OPERA selbst) haben die Messungen wiederholt und miteinander gut übereinstimmende Ergebnisse gewonnen. Die ursprüngliche Hypothese ist vom Tisch und die Forschungen gehen weiter.

Vor allem kann OPERA sich jetzt wieder seiner eigentlichen Aufgabe widmen: dem Nachweis der Umwandlung von Myon- in Tau-Neutrinos. 2010 hat das Experiment den ersten Kandidaten für einen solchen raren Identitätswechsel aufgespürt; auf der Neutrino-Konferenz in Kyoto wurde nun ein zweites Ereignis vorgestellt. Diese beiden Raritäten ? dafür wurden innerhalb von vier Jahren am CERN über 140 Trillionen Protonen auf Graphit geschossen! ? stimmen exzellent mit den theoretischen Erwartungen überein. Außerdem hat OPERA, so berichtete Mitsuhiro Nakamura von der Nagoya-Universität in Kyoto, 19 Umwandlungen von Myon- in Elektron-Neutrinos nachgewiesen.

Wichtig auch: Es gab keine ideologische Ablehnung der vermeintlich überlichtschnellen Teilchen, sondern die Theoretiker haben sich kritisch und konstruktiv mit dem Thema auseinander gesetzt. Manche ihrer Arbeiten einen Wert über den Tag hinaus. Schließlich geht es ja nicht darum, Spekulationen um irgendwelche Daten zu ranken, sondern tiefere Einsichten in die Zusammenhänge der Natur zu gewinnen. Dabei muss viel ausprobiert werden ? im Experiment wie in der Theorie. Das Beispiel OPERA zeigt auch, dass Wissenschaftler bei aller berechtigten Skepsis nicht dogmatisch an vorherrschenden Überzeugungen festhalten. Im Gegenteil, manche waren sogar bereit, selbst die am besten fundierten Theorien zu hinterfragen und notfalls zur Disposition zu stellen ? in diesem Fall die Spezielle Relativitätstheorie.

Es besteht also kein Grund zur Enttäuschung oder Häme ? im Gegenteil. So funktioniert Wissenschaft immer. Und nicht nur, wenn ein überraschender Effekt auftaucht wie ein unangemeldeter Partygast. Der Prozess der Forschung ist kein geradliniger Weg, der große Entdeckungen verbindet wie eine Schnellstraße. Er ist vielmehr ein verschlungener Pfad, der seine Richtung ändert abhängig von der Landschaft, durch die er führt, und der auch manchmal Umwege macht, im Kreis geht oder zur Umkehr zwingt. Der Weg zu den Gipfeln der Erkenntnis ist kein Spaziergang. Aber mit Beharrlichkeit und Selbstkritik führt er zum Erfolg.

bdw-Physik-Redakteur Rüdiger Vaas hat in seinem Buch Tunnel durch Raum und Zeit. Von Einstein bis Hawking: Schwarze Löcher, Zeitreisen und Überlichtgeschwindigkeit ausführlich über die Chancen, Risiken und Nebenwirkungen überlichtschneller Bewegungen berichtet.
© wissenschaft.de ? Rüdiger Vaas


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