Fysikere verden over står i kø for at forklare eller bortforklare Cern-eksperimentet, der viste, at neutrinoer tilsyneladende bevæger sig hurtigere end lyset.

En dansk forsker mener eksempelvis, at eksistensen af såkaldte lette, sterile neutrinoer kan betyde, at de tilsyneladende observationer af overlyshastighed netop kun er tilsyneladende.

En forsker fra London mener, at Einsteins generelle relativitetsteori kan forklare, hvorfor eksperimentet alligevel ikke kan tages til indtægt for, at der rent faktisk har været tale om en overlyshastighed og dermed et brud på Einsteins specielle relativitetsteori.

Siden forskere bag Opera-eksperimentet lagde deres artikel ud på preprint-serveren arxiv.org den 22. september og forklarede detaljerne i eksperimentet ved et særdeles velbesøgt seminar på Cern den 23. september er der til dato skrevet mere end 80 artikler fra andre forskere, der på den eller anden måde forholder sig til de overraskende målinger.

Her ser vi nærmere på to af dem:

Den største nyopdagelse i 100 år - hvis målingen er rigtig

Professor Steen Hannestad fra Aarhus Universitet er en af verdens førende neutrinoeksperter.

Han er bl.a. medforfatter til en artikel fra 2006, der giver det bedste bud på massen af de ultralette partikler, som vurderes at være mindst en million gange lettere end elektroner. Indtil for godt ti år siden antog fysikerne, at neutrinoer var helt uden masse - indtil eksperimenter viste, at dette ikke kunne være tilfældet.

»Det er godt nok mest sandsynligt, at eksperimentet er forkert på den. Men hvis målingen virkelig er rigtig, så er det formentlig den største nyopdagelse i fysikken de sidste 100 år,« forklarer Steen Hannestad, som derfor også har tænkt over, hvordan eksperimentet kan forklares, hvis det viser sig at være rigtig.

Der kendes tre forskellige former for neutrinoer, som er knyttet sammen med henholdsvis elektroner, myoner og tau-partikler. I partikelfysikernes Standardmodel er myoner og tau-partikler en slags tungere storebrødre til elektronen.

Fysikerne siger, at neutrinoer har tre forskellige flavour-tilstande.

Neutrinoer er besynderlige partikler, da de også har tre massetilstande. Det betyder, at en neutrino, der er dannet som en elektron-neutrino, eksempelvis kan blive detekteret som en myon-neutrino, når den har tilbagelagt en vis afstand.

Sterile neutrinoer i ekstra dimensioner

Et yderligere bidrag til forvirringen er, at forskerne har fremsat en formodning om eksistensen af såkaldte sterile neutrinoer ud over de tre såkaldte aktive neutrinoer.

Der findes endda visse observationer af røntgenstråling i universet, der kan forklares med eksistensen af sterile neutrinoer, som dog stadig må klassificeres som hypotetiske partikler.

Særligt interessant er det, hvis disse sterile neutrinoer er lette, dvs. ikke meget tungere end de velkendte neutrino-flavours. For så kan sterile neutrinoer indgå i 'mixing' med de 'aktive' neutrinoer.

Er det tilfældet, kan det forklare Cern-Gran Sasso-eksperimentet.

Sterile neutrinoer er nemlig ikke nødvendigvis bundet til vores verden med tre rumlige dimensioner, men kan i en verden med flere rumlige dimensioner smutte ud i disse - på samme måde som tyngdekraften også formodes at kunne gøre det.

I Opera-eksperimentet dannes myon-neutrinoer ved Cern og sendes under jorden mod Gran Sasso i Italien. Myon-neutrinoerne har en blanding af forskellige massetilstande, eventuelt også en komponent knyttet til sterile neutrinoer (hvis de altså eksisterer).

Hvis den sterile massetilstand foretager en smutvej via ekstra dimensioner fra Cern til Gran Sasso kan den give anledning til et signal i detektoren på samme måde, som hvis neutrinoerne havde bevæget sig hurtigere end lyset, forklarer Steen Hannestad og Martin Sloth fra Université de Geneve og Cern i deres artikel.

Modellen kan også forklare supernovamålingerne

Hannestad og Sloth bemærker, at deres model også vil kunne forklare, hvorfor man ikke så 'hurtigere-end-lys-neutrinoer' i forbindelse med en supernovaeksplosion, der blev observeret i 1987.

Observationerne af denne supernovaeksplosion stemmer ikke overens med Cern-målingen, der viser, at neutrinoer bevæger sig hurtigere end lyset - og det er en hovedårsagerne til, at mange stiller sig meget tvivlende over for, om eksperimentet ved Cern er gennemført rigtigt.

De to danske forskere forklarer, at detektorerne kun vil fange en meget lille andel af neutrinoerne fra supernovaeksplosionen, der har bevæget sig i en massetilstand domineret af den sterile neutrino, der kan smutte genvej.

Hannestad og Sloth gør dog også opmærksom på en række problemer i deres model, der skal afklares nærmere. Men de tillader sig alligevel at konkludere, at lette, sterile neutrinoer kan være en forklaring på de gådefulde observationer af 'hurtigere end lys'-neutrinoer.

Einstein og synkroniseringsproblemet

Carlo Contaldi fra Imperial College er en af de mange forskere, der søger at finde fejl i eksperimentet. Han koncentrerer sig om målingen af den tid, det tager neutrinoerne at bevæge sig fra Cern i Schweiz til Gran Sasso i Italien.

Når man kender afstanden fra Jorden til Månen med høj præcision, er det fordi man kan sende en laserstråle til Månen, som kan tilbagekastes via reflektorer placeret af Apollo-missionerne. Med et enkelt meget stabilt ur kan man måle, hvor lang tid det tager lyset at bevæge sig frem og tilbage. Dermed kender man afstanden.

Det er mere kompliceret at måle den tid, det tager lys - eller neutrinoer - at tilbagelægge en strækning mellem to forskellige steder. Det kræver nemlig ure i begge ender, som er synkroniserede i forhold til hinanden.

Carlo Contaldi gør i en artikel opmærksom på, at der kan være et synkroniseringsproblem mellem de atomure, som måler tiden i Cern og Gran Sasso.

Cern er eksempelvis tætter på Jordens centrum end Gran Sasso, og det medfører, at atomurene ifølge Einsteins generelle relativitetsteori tikker hurtigere ved Cern end Gran Sasso.

Contaldi redegør i en artikel for, at det samlet set kan resultere i en usikkerhed på synkroniseringsnøjagtigheden, som medfører, at målingen ikke kan fortolkes, som om neutrinoerne har bevæget sig hurtigere end lyset.

Dario Autiero fra Institut de Physique Nucleaire de Lyon, der står bag den omfattende dataanalyse i eksperimentet siger dog til Nature, at Contaldis kritik er baseret på en misforståelse af, hvordan eksperimentet er udført.

Det har fået Toby Wiseman, der er kollega til Carlo Contaldi på Imperial College, til at gøre opmærksom på, at de manglende detaljer i beskrivelsen af synkroniseringen af urene, gør det svært for folk uden for konsortiet at komme med kvalificeret kritik.

Teoretikerne på Cern tager bolden op

Andre forskere har også rejst en lang række spørgsmål om målingerne og flere vil uden tvivl komme til i den nærmeste tid.

Det afholder dog ikke teoretikerne på Cern fra den 14. oktober at afholde et seminar på tre timer, hvor udgangspunktet er, at målingerne er korrekte.

Her vil teoretikerne bl.a. diskutere, om overlyshastighed er fuldstændigt udelukket ud fra teoretiske betragtninger eller om der er smuthuller.

Der er nok at tænke over, for flere af de modifikationer man umiddelbart kan tænke sig til med de eksisterende teorier, der skal til for at forklare eksperimentet, kan også føre til, at det er muligt at sende informationer tilbage i tiden og dermed bryde rækkefølgen mellem årsag og virkning - eller at der findes et foretrukket referencesystem i universet, en slags æterteori.

Dokumentation

Apparent faster than light propagation from light sterile neutrinos
The OPERA neutrino velocity result and the synchronisation of clocks