Schneller-als-Licht-Neutrino-Rätsel, das angeblich durch spezielle Relativitätstheorie gelöst wurde

Es ist nun drei Wochen her, dass die außergewöhnliche Nachricht, dass Neutrinos, die zwischen Frankreich und Italien reisen, schneller als das Licht bewegt wurden. Das Experiment, bekannt als OPERA, fand heraus, dass die am CERN in der Nähe von Genf produzierten Teilchen etwa 60 Nanosekunden früher als die Lichtgeschwindigkeit im Gran-Sasso-Labor in Italien eintrafen.

Das Ergebnis hat die Physik-Community aufgeregt. Seitdem sind mehr als 80 Veröffentlichungen auf dem arXiv erschienen, die versuchten, den Effekt zu entlarven oder zu erklären. Man kann jedoch sagen, dass das allgemeine Gefühl ist, dass das OPERA-Team etwas übersehen haben muss.

Ronald van Elburg von der Universität Groningen in den Niederlanden argumentiert heute überzeugend, dass er den Fehler gefunden hat.



Sehen wir uns zunächst das Experiment an, das im Prinzip einfach ist: eine Messung von Entfernung und Zeit.

Die Entfernung ist einfach. Der Ort der Neutrinoproduktion am CERN ist mit GPS relativ einfach zu messen. Die Lage des Gran Sasso Laboratory ist schwieriger zu bestimmen, da es unter einem kilometerhohen Berg liegt. Trotzdem sagt das OPERA-Team, die Distanz von 730 km auf etwa 20 cm genagelt zu haben.

Die Zeit des Neutrinoflugs ist schwieriger zu messen. Das OPERA-Team sagt, dass es den Moment, in dem die Neutrinos erzeugt werden, und den Moment, in dem sie entdeckt werden, mithilfe von Uhren an jedem Ende genau messen kann.

Aber der schwierige Teil besteht darin, die Uhren an beiden Enden exakt synchron zu halten. Dazu verwendet das Team GPS-Satelliten, von denen jeder ein hochpräzises Zeitsignal aus einer Umlaufbahn von etwa 20.000 Kilometern über dem Himmel aussendet. Dies bringt eine Reihe zusätzlicher Komplikationen mit sich, die das Team berücksichtigen muss, wie beispielsweise die Laufzeit der GPS-Signale zum Boden.

Einen Effekt scheint das OPERA-Team jedoch übersehen zu haben, sagt van Elburg: die relativistische Bewegung der GPS-Uhren.

Es ist leicht zu denken, dass die Bewegung der Satelliten irrelevant ist. Schließlich müssen sich die Funkwellen mit dem Zeitsignal mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, unabhängig von der Geschwindigkeit der Satelliten.

Aber es gibt noch eine zusätzliche Feinheit. Die Lichtgeschwindigkeit ist zwar nicht vom Bezugssystem abhängig, die Flugzeit jedoch. In diesem Fall gibt es zwei Bezugssysteme: das Experiment am Boden und die Uhren im Orbit. Wenn sich diese relativ zueinander bewegen, muss dies berücksichtigt werden.

Wie ist also die Bewegung der Satelliten in Bezug auf das OPERA-Experiment? Diese Sonden kreisen von West nach Ost in einer um 55 Grad zum Äquator geneigten Ebene. Bezeichnenderweise entspricht das in etwa der Neutrino-Flugbahn. Ihre Relativbewegung ist dann leicht zu berechnen.

Aus der Sicht einer Uhr an Bord eines GPS-Satelliten ändern sich also die Positionen der Neutrinoquelle und des Detektors. Aus der Sicht der Uhr bewegt sich der Detektor auf die Quelle zu und folglich ist die von der Uhr beobachtete Entfernung der Teilchen kürzer, sagt van Elburg.

Damit meint er kürzer als die im Bezugssystem gemessene Distanz am Boden.

Das OPERA-Team übersieht dies, weil es sich die Uhren als am Boden und nicht im Orbit vorstellt.

Wie groß ist dieser Effekt? Van Elburg berechnet, dass dies dazu führen sollte, dass die Neutrinos 32 Nanosekunden früher eintreffen. Dies muss jedoch verdoppelt werden, da an jedem Ende des Experiments der gleiche Fehler auftritt. Die Gesamtkorrektur beträgt also 64 Nanosekunden, fast genau das, was das OPERA-Team beobachtet.

Das ist beeindruckend, aber es heißt nicht, dass das Problem erledigt und abgestaubt ist. Peer Review ist ein wesentlicher Bestandteil des wissenschaftlichen Prozesses, und dieses Argument muss von der Gemeinschaft im Allgemeinen und insbesondere dem OPERA-Team auf den Prüfstand gestellt werden.

Wenn es aufsteht, wird diese Episode voller Ironie sein. Weit davon entfernt, Einsteins Theorie des relativen zu brechen, wird sich die Überlichtmessung als eine weitere Bestätigung dafür erweisen.

Ref: arxiv.org/abs/1110.2685 : Flugzeiten zwischen einer Quelle und einem Detektor, die von einem GPS-Satelliten beobachtet werden.

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