RelativKritisch Schwerpunkt: Neutrinos schneller als Tempolimit c₀?

Seit ein paar Tagen schlagen ein paar Elementarteilchen, Neutrinos genannt, grosse Wellen in der wissenschaftlichen Community und in der Öffentlichkeit. Neutrinos sind dafür bekannt, recht unauffällige Gesellen zu sein, die sich nur äusserst selten über die Schwache Wechselwirkung bemerkbar machen. Umso heftiger ist der Aufruhr, den diese an sich sehr scheuen Geisterteilchen ausgelöst haben. Sie sollen das seit Albert Einsteins Relativitätstheorien und der darauf aufbauenden modernen Physik geltende kosmische Tempolimit c₀ (die Vakuumgeschwindigkeit des Lichts) geknackt haben!
Gemessen haben das die Physikerinnen und Physiker am Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus (OPERA) im Laboratori Nazionali del Gran Sasso, das im italienischen Bergmassiv des Gran Sasso beheimatet ist und primär nach den allfälligen Neutrino-Oszillationen, hier der in flight Umwandlung dieser Elementarteilchen zwischen Myonneutrinos und Tauneutrinos, suchen. OPERA ist ein Bestandteil des CERN Neutrinos to Gran Sasso-Experiments (CNGS). Die Quelle dieser Teilchen ist ein künstlich erzeugter Neutrinostrahl, der im Super Proton Synchrotron (SPS), u. a. der Vorbeschleuniger des Large Hadron Collider (LHC), der am CERN bei Genf erzeugt und anschliessend in südöstlicher Richtung nach Italien gelenkt wird.

RelativKritisch versucht mit diesem Schwerpunkt, einen Überblick auf die wichtigsten Entwicklungen und spannendsten Diskussionen zu diesem aufregenden Thema zu organisieren.

Den Hype um die überlichtschnellen Neutrinos hatte am Donnerstag, den 22. September 2011, die BBC eingeleitet (Screenshot: Ethan Siegel, der Beitrag ist mit Update vom 23.09. auf den Online-Seiten der BBC abrufbar). Die Story, auch bei nature.com gemeldet (Particles break light-speed limit) verbreitete sich in Windeseile im Web, unter anderem über Associated Press (Roll Over Einstein: Pillar Of Physics Challenged). Und auch die Blogosphäre und in Internetforen schlug das Thema Wellen. Noch am Donnerstag nahm Florian Freistetter den Ball auf und verkündete auf den scienceblogs.de unter dem Titel CERN-Experiment: Sind Neutrinos schneller als das Licht? die Neuigkeit. Zu diesem Zeitpunkt hatte auch Ethan Siegel bereits reagiert und in seinem Blogbeitrag This Extraordinary Claim Requires Extraordinary Evidence! bereits die Achillesferse des Experiments benannt: den im Jahr 1987 gemessenen Neutrinoausstoss der Supernova 1987A, bei der Neutrinos unterschiedlicher Energie aus dem Kollaps des Sterns in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Modellen des Supernovaprozesses und dem Tempolimit c₀ von irdischen Observatorien detektiert wurden.

Am Freitag zogen schliesslich die deutschsprachigen Medien mit obszön überschlagenden Überschriften nach, z. B. der SPIEGEL, die Sueddeutsche Zeitung, Die Welt oder Die Zeit. Zu diesem Zeitpunkt gab es eine neue Pressemitteilung der Universität Bern, an der Antonio Ereditato, Leiter des OPERA-Projekts, eine Professur für Hochenergiephysik innehat. Die OPERA Collaboration hatte ein preprint ihrer Analyse bei arXiv eingestellt und via Pressemitteilung des CERN angekündigt, ihre Ergebnisse am Nachmittag des 23.09. auf einem Seminar vor den Fachkollegen zu erläutern und um Unterstützung bei der Fehlersuche zu werben. Die Veranstaltung wurde live über das CERN-Webcast übertragen (nachsehbar im Archiv des CERN Document Server). Die redaktionellen Webdienste mehrerer populärer Wissenschaftsmagazine reihten sich in die Berichterstattung ein. So spektrumdirekt.de oder auf wissenschaft.de, dem Online-Dienst von bild der wissenschaft, von Rüdiger Vaas bereits skeptisch ins Bild gerückt.

Auch in den Wissenschaftsblogs wurde versucht, die „OPERA Anomalie“ möglichst fachgerecht aufzufangen. Die Hintergründe und Substanz der OPERA-Messungen haben Jörg Rings (Neutrinos auf der Überholspur), Chad Orzel (Faster Than a Speeding Photon: “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”) und der physikBlog (Überlichtschnelle Neutrinos) auch möglichst laienverständlich durchleuchtet und beschrieben. Was die OPERA Collaboration getan hat, verdient höchsten Respekt. Nach gründlichsten internen Überprüfungen stellt sie ihre Ergebnisse ins offene Säurebad der Community der Physikerinnen und Physiker, um die letzten Fehlerquellen freizulegen. Das ist Wissenschaft vom Feinsten, wie zum Beispiel Christine Sutton und Corinne Mills auf den Quantum Diaries (da gibt es noch mehr stuff!) die Situation eindringlich ausdeuten.

Andere Blogger versuchen sich bereits in der Auslegung der Physik, wenn es denn nun so wäre, wie das die OPERA-Daten als „Fanal“ an die Wand malen. Martin Bäker räsoniert auf seinem Blog, physikalisch und wissenschaftshistorisch kompetent, über Tachyonen und die Zukunft Einsteins!
Bei anderen überwiegt die Skepsis. Der RT-Spezialist Markus Pössel, auch mehrfach ausgezeichneter Wissenschaftskommunikator, bespricht die OPERA-Ergebnisse nüchtern als eher rhetorische Frage (Überlichtschnelle Neutrinos?) und vergleicht sie konsequent mit der Pioneer-Anomalie. Pössel prägt in seinem Artikel den Begriff „CERN-Neutrino-Anomalie“, der stilprägend werden könnte. Wie Phil Plait, der „Bad Astronomer“, zeigt auch Pössel, dass die notwendige Zusatzannahme, Neutrinos verschiedener Sorten und Energien könnten sich unterschiedlich zum Tempolimit c₀ verhalten, nicht besonders überzeugend ist. Ähnlich äussern sich namhafte Physiker, die von Scientific American befragt wurden.

Unabhängig von der beschleunigten Fehlersuche, die das OPERA-Team mit seinem Gang an die Öffentlichkeit eingefordert hat, werden in guter wissenschaftlicher Praxis auch ebenbürtige experimentalphysikalische Installationen versuchen, die OPERA-Daten zu reproduzieren. Für dieses Unternehmen stehen grundsätzlich zwei Anlagen kurzfristig zur Verfügung. Da ist zum einen das long baseline neutrino oscillation experiment „Tokai to Kamioka“ (T2K) in Japan, das seinen beam an den Super-Kamiokande ausrichtet. Und das Fermilab, das mit seinem „Neutrinos at the Main Injector“ (NuMI), vergleichbar mit CERN/OPERA, das „Main Injector Neutrino Oscillation Search“ (MINOS) am Soudan Underground Laboratory mit einem Neutrinobeam versorgt. Bereits im Jahr 2007 veröffentlichte die MINOS Collaboration ein Ergebnis, das ebenfalls eine Überschreitung des Tempolimits durch Neutrinos in Erwägung zog. Die Daten waren aber nicht signifikant und wurden deshalb verworfen.
Das Fermilab hat mittlerweile angekündigt, in vier bis sechs Monaten die Ergebnisse von OPERA überprüfen zu können. Dieser ehrgeizige zeitliche Rahmen wird dadurch möglich, dass die MINOS-Daten noch einmal durchgerechnet werden. Weiter hat das amerikanische Team angekündigt, seine Messreihen neu aufzulegen. Spannende Zeiten!

Die „Neue Physik“, die in diesem Jahr schon so oft propagiert wurde, wird wahrscheinlich unter konservativer Betrachtung auch mit den Ankündigungen des OPERA-Experiments ausbleiben. Erfreulich ist, dass trotz der aktuellen ökonomischen Depression die Kapazitäten vorhanden sind, um diese unerwarteten und spannenden Fragen physikalischer Grundlagenforschung wieder und wieder prüfen zu können. Ermutigend ist auch die kompetent vermittelte Popularisierung dieser aufregenden Ereignisse durch eine Reihe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die das Bloggen als gewichtige Form der Wissenschaftkommunikation angenommen haben. Auch wenn diese Ansätze von „open science“ im Rauschen mittelmässiger Spekulationen versanden, findet sich die eine oder andere Perle in den Diskussionen. Auch in diesem speziellen Fall. Andererseits muss man leider auch feststellen, wie systematisch crackpots und Einstein-Gegner diese Diskussionen entern. Es ist allerdings auch äusserst amüsant, wie sie auch an diesem konkreten Projekt scheitern.

RelativKritisch wird an diesem Thema dran bleiben. Unsere Übersicht ist zwangsläufig subjektiv und eingeschränkt. Weitere interessante Diskussionen werden wir im Kommentarbereich verlinken und zur Diskussion stellen.

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Update: Weitere Links (u. a. aus dem Kommentarbereich)

• Collider Blog: OPERA not contradicted by SN1987a (23.09.2011)
• A Quantum Diaries Survivor: A Six-Sigma Signal Of Superluminal Neutrinos From Opera! (19.09.2011)
• the reference frame: Italian out-of-tune superluminal neutrino opera (22.09.2011)
• Starts With A Bang: Are we fooling ourselves with faster-than-light neutrinos? (26.09.2011)
• FAZ.net/Caren Hagner: „Der Zeitpunkt der Veröffentlichung war verfrüht“ (29.09.2011)
• Collider Blog: Theories about Superluminal Neutrinos (01.10.2011)
• Die Natur der Naturwissenschaft: Schneller als Licht? (30.09.2011)
• Der Quantenmechaniker Joachim Schulz: Mehr als Licht auf dem Tacho (03.10.2011)
• Los Angeles Times: CERN and colliding theories (04.10.2011)
• Eugenie Samuel Reich: Uhrenfehler auf der Neutrinobahn? (06.10.2011)
• Matt Strassler: Is the OPERA Speedy Neutrino Experiment Self-Contradictory? (06.10.2011)
• Der Quantenmechaniker Joachim Schulz: Überlichtschnelle Neutrinos verlieren Energie (09.10.2011)
• Ronald A.J. van Elburg: Times of Flight between a Source and a Detector observed from a GPS satelite (submitted 12.10.2011)
• Ethan Siegel: Game Over for Faster-Than-Light Neutrinos? (18.10.2011)
• Ethan Siegel: A Test for Neutrinos: Put Up or Shut Up (26.10.2011)

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