Neutrinos: 4:0 für Einstein

Blick in das Innere des Opera-Detektors

Albert Einstein kann endlich wieder aufatmen und mit ihm alle, die seiner Relativitätstheorie schon immer fest vertraut haben. Denn das kosmische Tempolimit, wonach sich nichts schneller ausbreiten kann als das Licht, behält seine unangetastete Gültigkeit. Neue Messungen haben den irritierenden Befund einer europäischen Forschergruppe aus dem vergangenen Jahr, wonach künstlich erzeugte Neutrinos angeblich mit Überlichtgeschwindigkeit geflogen waren, jetzt endgültig widerlegt und damit alle Zweifel ausgeräumt. Verkündet wurden die neuen Ergebnisse am Freitag bei der „International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics“ in Kyoto, Japan.

Der Stecker wars

Die neuen Messungen, an denen neben Opera auch drei weitere Experimente beteiligt waren, zeigen, dass die ungeladenen Elementarteilchen sich strikt an das Einsteinsche Tempogebot halten. Offenkundig beruhte die beobachtete Geschwindigkeitsverletzung der ungeladenen Elementarteilchen auf einem Messfehler, verursacht von einer nicht korrekten Steckverbindung.

Im September 2011 sorgten die Forscher des Opera-Experiments für Schlagzeilen mit der Meldung, Neutrinos hätten die Strecke vom Erzeugungsort, dem Forschungszentrum Cern bei Genf, bis zum 730 Kilometer entfernt gelegenen Detektor im Gran-Sasso-Massiv bei Rom um rund 60 Milliardstelsekunden (Nanosekunden) schneller zurückgelegt, als es einem Lichtstrahl möglich gewesen wäre. Die minimale Geschwindigkeitsverletzung reichte aus, eine unerschütterliche Säule der Physik mächtig ins Wanken zu bringen: Die Spezielle Relativitätstheorie. Kaum waren die Opera-Forscher mit ihrer spektakulären Nachricht an die Öffentlichkeit getreten, wurden auch schnell Zweifel an den Befunden laut. Kein seriöser Forscher wollte wirklich auf die Richtigkeit der Ergebnisse wetten. „Das muss ein Messfehler sein“, war die einstimmige Meinung in der Forschergemeinde, auch wenn sich rasch Theorien verbreiteten, die die Geschwindigkeitsverletzung der Neutrinos zu erklären versuchten, mit zum Teil windigen Ideen. Und auch aus der eigenen Gruppe wurde Kritik laut. Einige der an dem Neutrinomessungen beteiligten Forscher wie Karen Hagner von der Universität Hamburg, hatten der Vorabveröffentlichung der ersten Ergebnisse nicht zu gestimmt. Sie hielt den Zeitpunkt, an dem man mit den Resultaten an die Öffentlichkeit gegangen ist, für einen derart ungewöhnlichen Effekt wie die Überlichtgeschwindigkeit, für verfrüht. Die Sprecherin der bei Opera beteiligten deutschen Forschergruppe hätte sich wie andere Kollegen noch mehr Tests gewünscht, um ganz sicher zu sein, dass kein Messfehler vorliegt.

Verwirrung durch neue Messungen

Es begann eine akribische Fehlersuche, bei der die Forscher von Opera alle Komponenten ihres Experiments auf mögliche Fehlerquellen abklopften - zunächst allerdings ohne sichtlichen Erfolg. Als man im Oktober die Messungen mit einem gepulsten Neutrinostrahl, der eine präzisere Flugzeitmessung ermöglichte, wiederholte, kam abermals Verwirrung auf. Denn die neuen Daten bestätigten sogar die ursprünglichen Resultate.

Dann ist das eingetreten, was kommen musste. Fünf Monate später gaben die Physiker des Opera-Experiments Ende Februar bekannt, zwei Messfehler identifiziert zu haben, die möglicherweise falsche Start- und Ankunftszeiten bei den Flugzeitmessungen geliefert haben. Eine Fehlerquelle war ein Stecker, der offenbar schief an einem Kästchen befestigt war. Was nach einem schlechten Scherz klang und den Forschern reichlich Spott bescherte, hatte offenkundig ungeahnte Auswirkungen. Ein zentrales Zeitsignal war dadurch verspätet am Taktgeber des Hauptuhr des Detektors angekommen, wodurch es zu Synchronisationsproblemen kam. Dadurch hatten die Neutrinos im vergangenen Jahr den Opera-Detektor schneller erreicht als erwartet. Zudem hatte ein Oszillator eines wichtigen Taktgebers des Experiments nicht korrekt funktioniert, was die tatsächliche Ankunftszeit der Neutrinos noch einmal beeinflusste und die Teilchen noch schneller machte. Wie stark sich die Effekte auf die bereits gemessenen Daten auswirkten, war jedoch unklar. Dummerweise konnten die Forscher des Opera-Experiments nicht mehr rekonstruieren, wie schief der Stecker im vergangenen Jahr tatsächlich angeschraubt war und wie schnell deshalb die Neutrinos in Wirklichkeit gewesen waren.

Die alten Ergebnisse bekamen Risse

Man war also wohl oder übel gezwungen, die Experimente so schnell wie möglich mit einem geraden Stecker und einem korrigierten Oszillator zu wiederholen. Um absolut sicher zu gehen, dass die Messungen dieses Mal fehlerfrei verlaufen, holte man Kollegen mit ins Boot, die in den benachbarten Laboratorien ihren eigenen Forschungen nachgehen, aber nach einem kleinen Umbau mit ihren Detektoren ebenfalls die Neutrinos des Cern nachweisen können. Die Messungen hatte man mit der Absprache des Cern auf den Mai angesetzt.

In der Zwischenzeit bekamen die alten Ergebnisse, weitere Risse. Und selbst in der eigenen Gruppe wollte keiner mehr wirklich den Messungen aus dem vorigen Jahr vertrauen. Ende März präsentierte man die Ergebnisse eigener Nachforschungen auf einem Workshop und identifizierte das nicht korrekt befestigte Glasfaserkabel tatsächlich als Hauptschuldigen der vermeintlichen Überlichtgeschwindigkeit der Neutrinos. Man konnte durch eine Art Uhrenvergleich mit einem benachbarten Experiment nachverfolgen, dass Mitte 2008 ein Zeitsprung von etwa 70 Nanosekunden zwischen den Laboren aufgetreten war, also etwa zur der Zeit, als die Opera-Forscher damit begonnen hatten, die Geschwindigkeit von Neutrinos aus dem Cern zu messen. Erst als Ende 2011 die Opera-Forscher die Verbindung des Glasfaserkabels neu justiert hatten, lag die Zeitdifferenz zwischen den Laboren bei ihrem ursprünglichen Wert. Damit hatte man die Erklärung gefunden, warum die Neutrinos vom Cern 60 Nanosekunden schneller gewesen waren als erlaubt. Dennoch: Die neuen Erkenntnisse machten die neuen Messungen noch dringlicher. Inzwischen kam es bei der Opera-Kollaboration zu einem Personalwechsel: Der Sprecher der Gruppe, Antonio Ereditato von der Universität Bern und der „Physics Coordinator“, Dario Autiero vom Institut für Kernphysik in Lyon traten aufgrund mangelnder Unterstützung von ihren Ämtern zurück. Die beiden Forscher wurden von vielen Mitarbeitern für das schlechte Management und den mangelhaften Informationsfluss innerhalb der Kollaboration verantwortlich gemacht, was offenkundig zu unnötigen Verzögerungen bei Überprüfungen und Testmessungen geführt hatte, wie Karen Hagner erklärte.

Tempolimit eingehalten

Vom 10. Mai an hat das Forschungszentrum Cern nun schließlich vierzehn Tage lang abermals einen gepulten Strahl von Neutrinos in Richtung Abruzzen gelenkt. Dort hatten neben den Forschern von Opera, die Physiker von Borexino, LVD und Icarus, ihre Detektoren in Richtung Genf ausgerichtet. Nach einer genauen Analyse der Daten haben die einzelnen Forschergruppen nun ihre Ergebnisse präsentiert. Das Resultat: Die Neutrinos waren langsamer als das Licht unterwegs zwischen Genf und den vier Gran-Sasso-Laboratorien. Damit ist nun klar, die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit beruhte tatsächlich auf einem Messfehler. Auch die Neutrinos aus dem Cern halten sich wie alle Objekte stets strikt an Einsteins Tempolimit. Auf jeden Fall werden die überlichtschnellen Neutrinos der Opera-Forscher in die Annalen der Teilchenphysik eingehen - als Lehrstück wie die Wissenschaft unerlaubte Geschwindigkeitsübertretungen regelt.

Quelle: F.A.Z.
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