Hurtigere-end-lys-neutrinoer giver fysikerne hovedbrud

Hurtigere-end-lys-neutrinoer giver fysikerne hovedbrud

Cerns overraskende oplysning om, at neutrinoer er målt til at bevæge sig hurtigere end lyset, har sendt fysikerne i tænkeboksen. Målingen er sandsynligvis forkert, men alligevel spekulerer de over en forklaring.

Fysikere verden over har siden i fredags spekuleret intenst over Cerns målinger, der viser, at neutrinoer bevæger sig hurtigere end lyset i vakuum.

Reaktionen fra de fleste fysikere kan opsummeres med ordene fra kosmologi-eksperten Sean Carroll fra California Institute of Technology:

»Det er enormt interessant, hvis det er rigtigt. Det er sandsynligvis ikke rigtigt.«

Neutrinoer dannes ved Cern i Schweiz og sendes gennem jorden til Gran Sasso i Italien.

Sean Carrolls kommentar rejser to spørgsmål, som er blevet ivrigt diskuteret af ekspertbloggere de seneste dage.

Hvad er konsekvensen for Einsteins relativitetsteori, hvis det er rigtigt?

Hvorfor er det sandsynligvis ikke rigtigt?

Lad os begynde med sidste spørgsmål.

Supernøjagtige målinger

Blandt fysikerne er der udbredt enighed om, at forskerne bag Opera-eksperimentet har udført en pragtpræstation i at lave en supernøjagtig måling af hastigheden for neutrinoer, der tilbagelægger den 732 km lange afstand mellem Cern i Schweiz og Gran Sasso i Italien.

Der var langvarige klapsalver til Dario Autiero fra Institut de Physique Nucleaire de Lyon, da han sent fredag eftermiddag fremlagde resultaterne i tætpakket auditorium på Cern efterfulgt af en timelang udspørgen.

I princippet er der ingen forskel på at bestemme neutrinoers hastighed og den gennemsnitshastighed, hvormed Mark Cavendish i går tilbagelage VM-ruten i cykling.

Ifølge den internationale cykelunion UCI brugte Mark Cavendish 5 timer 40 minutter og 27 sekunder, da han i går vandt VM på en 260 kilometer lang rute. Afstand divideret med tid giver en hastighed på 45,9 km/h.

På samme vis skal Cern-forskerne blot kende afstand og tid for neutrinoerne.

Det kræver en meget nøjagtig måling, der mindsker tilfældige fejl. På den anden side nytter det ikke at være meget nøjagtig, hvis man måler det forkerte. Derfor skal man også undgå systematiske fejl.

Alle forskere er imponeret over omhyggeligheden i eksperimenterne, som resultatet er baseret på. Der er derfor ikke rejst en større diskussion om, hvorvidt de tilfældige målefejl er under syv nanosekunder, som Opera-forskerne hævder.

Der fokuseres mere på de systematiske målefejl. Kender man afstanden med en tilpas høj nøjagtighed? Og har man styr på de systematiske fejlkilder i målinger af tiden mellem neutrinoernes start og deres ankomst?

På ti nanosekunder tilbagelægger lyset tre meter. Længden fra neutrinoers startposition i Cern til målet i Gran Sasso skal altså måles med mindst denne nøjagtighed.

En geodætisk opmåling af længden i 2010 har gjort det muligt at bestemme den totale længde med en nøjagtighed på 20 centimeter. Denne måling er indtil videre accepteret af fysikerne.

Neutrinoens starttidspunkt er ukendt

Det helt afgørende problem er dog at bestemme tiden for neutrinoerne.

Med atomure og GPS-satellitter har man styr på tiden i både Cern og Gran Sasso. Ankomsttiden har man også godt tjek på, for den er bestemt af et signal i neutrinodetektoren. Det ser ud til at være helt efter bogen.

Starttiden kender man derimod ikke.

Neutrinoer dannes i Cern ud fra protoner, som i bundter af varighed på 10,5 mikrosekunder skydes mod et mål af grafit, hvorved der dannes neutrinoer.

Når en neutrino bliver detekteret, kender man derfor kun dens transmissionstid med en nøjagtighed af 10.000 nanosekunder - eller tusind gange dårligere end de ønskede ti nanosekunder, som er påkrævet for at kunne sammenligne hastigheden med lysets hastighed.

Det kræver en omfattende og nøjagtig måling af tidsstrukturen af protonbeamet og en kompliceret statistisk analyse af mange hændelser for at kunne opnå den ønskede nøjagtighed.

Skal eftervises i USA eller Japan

Der er generel enighed om, at Opera-forskerne har udført eksperimentet og den statistiske analyse på den helt rigtige måde, men der er rejst tvivl om, hvorvidt forskerne virkelig har styr på alle mulige systematiske fejlkilder i denne meget komplicerede og svært gennemskuelige proces.

Det eneste, der vil kunne overbevise fysiksamfundet om, at målingen er korrekt, er en uafhængig måling et andet sted.

Det burde i princippet være muligt både i Japan og USA. Men da der også her skal opsamles data med høj præcision over lang tid og laves en omfattende analyse, kan det sagtens tage lang tid.

Et amerikansk neutrinoeksperiment, Minos, har for nogle år siden også målt overlyshastighed for neutrinoer. Målenøjagtigheden var dog ikke så god som ved Cern-eksperimentet, så det kan ikke afvises, at den skyldes en tilfældig målefejl.

Supernova får forskerne til at tvivle

Når mange forskere tvivler stærkt på Cern-målingen skyldes det, at man i forbindelse med observation i 1987 af neutrinoer og lys fra en supernovaeksplosion kunne bestemme, at en eventuel relativ hastighedsforskel mellem neutrinoer og lys ville være meget mindre end den forskel, som Opera-eksperimentet viser.

Havde neutrinoerne fra supernovaeksplosionen haft den hastighed, som man har målt i Opera-eksperimentet, skulle de være ankommet til jorden mere end fire år før lyset. Det var ikke tilfældet.

Det er en af grundene til, at Chang Kee Jung fra State University of New York er citeret i Science for, at han måske nok ikke vil vædde sin kone og børn på, at Opera-målingen er forkert - for det vil gøre dem vrede - men han vil gerne sætte sit hus på højkant.

Chang Kee Jung er bl.a. involveret i neutrinoeksperimenter i Japan.

**Hvis det nu er rigtigt **...
Det kan selvfølgelig stadig tænkes, at eksperimentet er korrekt og neutrinoer bevæger sig hurtigere end lyset.

En af grundene til, at det ikke kan afvises fuldstændigt, er, at fysikerne stadig har meget at lære om de ultralette partikler, som kun meget sjældent vekselvirker med andre partikler.

Solen bombarderer Jorden med neutrinoer, så der hvert sekund passerer 60 milliarder neutrinoer per kvadratcentimeter. De passerer uhindret fra den ene side af jordkloden til den anden.

Det var først for cirka ti år siden, at fysikerne blev overbevist om, at neutrinoer havde en meget lille masse. Før da antog man, at de ligesom fotoner er masseløse.

En forklaring kan være, at neutrinoerne kan smutte ind i ekstra, rumlige dimensioner end vore sædvanlige tre, og dermed så at sige skyde genvej fra Cern og Gran Sasso. Det ville dermed se ud som om, de har bevæget sig hurtigere end lyset.

... så vakler Einsteins fundament

En anden mulighed kan være, at neutrinoer bryder den såkaldte Lorentz invarians, der siger, at alle vil måle lysets hastighed til at være den samme.

Sean Carroll og andre gør opmærksom på, at Lorentz invariansen nok er fundament for relativitetsteorien, men at et brud på Lorentz invariansen ikke er det samme som at vende tilbage til Newtons opfattelse af, at der findes absolut tid og rum.

Der er også den mulighed, som Matt Strassler fra Rutgers University i USA gør opmærksom på, at Einsteins principper om, at lysets hastighed er en universal grænse kan deles i to: Der findes en universel grænse for hastighed, lys bevæger sig ikke med den hastighed.

Matt Strassler gør opmærksom på, at mange forskere gennem tiden har påpeget, at netop neutrinoer vil være et godt emne at studere for at teste Einsteins relativitetsteori.

Han gør dog også opmærksom på, at så længe Opera-eksperiment ikke er bekræftet af andre, vil det stadig være en meget spekulativ tanke.

De fleste forskere vil som Chang Kee Jung sætte deres penge på en målefejl, men de også fascinerede af den mulighed, at målingen er rigtig.

Kommentarer (58)

Ok, jeg er ikke fysiker, så bær lige over med mig hvis jeg stiller dumme spørgsmål.

Så vidt jeg ved, så afhænger GPS-navigation af Einsteins relativitetsteori (et ur i fart taber tid relativt til ét i hvile, eller er det omvendt?), så hvis hans arbejde drages i tvivl, så er der vel et problem med at GPS ikke "burde" kunne virke?

Eller er det kun en lille del af hans teorier der vil skulle op til revision?

Hvad "mister" vi, hvis målingerne stadfæstes? Ja, jeg ved godt vi ikke mister noget, vi får noget, nemlig mere viden, men I ved hvad jeg mener!

  • 0
  • 0

Forskellen Opera experimentet har fundet er meget lille, urene i GPS satellitterne er ikke præcise nok til at man ville kunne måle en så lille afvigelse fra de forventede relativistiske korrektioner.

Det bliver specielt krydret at måle en sådan forskel fra en satellit fordi der er to forskellige relativistiske effekter der trækker hver sin vej: Tidsdillationen og tyngdefeltet.

  • 0
  • 0