Sensation: Partikler overhaler lyset
Lyset kan måske alligevel ikke bryste sig af at være det hurtigste, der findes i universet. Et italiensk eksperiment har detekteret neutrinoer, der er en lille smule hurtigere. Det resultat udfordrer Einsteins Relativitetsteori.

Lyset er hidtil blevet hyldet som universets hurtigløber nummer ét - men nu er det øjensynlig blevet overhalet af en flok driftige neutrinoer. (Foto: Colourbox).

»Det er helt vildt det her. Fuldstændigt vildt. Jeg har sat hele formiddagen af til at læse forskernes videnskabelige artikel. Rygterne svirrede allerede i sidste uge om, at en forskergruppe havde opnået dette resultat. Hvis det stemmer, så er det virkeligt sensationelt. Ring til mig efter klokken 11, så skal jeg kommentere yderligere og mere kvalificeret på det, lige nu vil jeg gerne have ro.«

Ordene strømmer hulter til bulter ud af munden på en anerkendt dansk astrofysiker.

Strøg gennem undergrunden

Den videnskabelige artikel, han netop nu sidder og gransker, slår meget overraskende fast, at særlige partikler, såkaldte neutrinoer, kan bevæge sig med hastigheder over lysets. Resultatet er så provokerende og banebrydende, at det er havnet i det højtprofilerede tidsskrift Nature.

Forsøget er udført af en italiensk forskergruppe, OPERA, ved Gran Sasso National Laboratoriet i Italien under ledelse af fysikeren Antonio Ereditato. Det europæiske partikelforskningscenter CERN har også haft en finger med i spillet ved at levere neutrinoerne. Centret skød en stråle af neutrinoer af sted gennem undergrunden til Gran Sasso-laboratoriet 730 kilometer væk.

Forskere bag OPERA-eksperimentet målte, at neutrinoerne ankommer 60,7 nanosekunder hurtigere, end lys bruger på at tilbagelægge den samme afstand i vakuum.  

Udfordrer Einsteins Relativitetsteori

Resultatet vækker temmeligt meget opsigt blandt forskerne lige nu. Det har nemlig været bøjet i neon, at intet i universet kan bevæge sig hurtigere end lys. Lysets hastighed er den faktor, som ifølge Einsteins Relativitetsteori sætter rammerne for, hvordan alt andet opfører sig i universet.

Det bliver slået fast i enhver fysikbog med respekt for sig selv og er noget, som fysikere igennem det sidste århundrede har opfattet som et ubestrideligt faktum. Men man har en overbevisning, til man har en ny, og nu ser det ifølge forskerne altså ud til, at neutrinoer under de rette betingelser kan give lyset baghjul.

Artiklen er løbende blevet opdateret

Videnskab.dk har i dag sat himmel og jord i bevægelse for at få en kommentar fra nogle af de mest fremtrædende danske forskere på området. Det lykkedes at få tre i tale: Lektor Steen H. Hansen fra Københavns Universitet, professor Steen Hannestad fra Aarhus Universitet, samt seniorforsker Niels Madsen, der er tilknyttet CERN, giver nedenfor deres syn på sagen og kommer med en vurdering af, hvad det betyder for den måde, hvorpå fysikere opfatter og beskriver verden – altså for hele den moderne fysik.

Kloge hjerner bag resultatet

Det første levende billede, der kommenterer på resultatet, er lektor Steen H. Hansen fra Dark Cosmology Center ved Niels Bohr Instiuttet på Københavns Universitet. Han lægger ikke skjul på, at han er imponeret over eksperimentet:

»Vi taler om, at vi her har 150 højtkvalificerede eksperimentalfysikere, der har lavet dette eksperiment gennem de sidste tre år. Sammenlagt har de brugt op mod 500 menneskeår på at opnå deres resultat. Det er intelligente mennesker, der ved, hvad de har med at gøre,« siger lektor Steen H. Hansen.

Han pointerer, at det ikke er første gang, at man har gennemført et eksperiment, som viser, at neutrinoer bevæger sig med hastigheder over lysets. Det amerikanske studie MINOS opnåede samme resultat. Men dette studie blev ikke tillagt meget stor vægt, da det var behæftet med en betydeligt større usikkerhed.

Fakta

Denne artikel blev løbende opdateret med kommentarer gennem fredagen.

Artiklen blev opdateret:

Kl.12.30
12.56
13.15
13.44
14.37
14.52
15.07
17:00
17:41

I den slags fysiske eksperimenter, som ovenstående to er eksempler på, opererer man generelt med tre forskellige slags usikkerheder: 

  1. Statistisk usikkerhed: Tvivl om, hvor mange neutrinoer det er, man har målt.
     
  2. Systematisk usikkerhed:  Apparaturet eller eksperimentet kan være skruet sådan sammen, at det konsekvent skyder en smule ved siden af.
     
  3. Ukendte faktorer såsom geologiske processer i undergrunden under eksperimentet, kan uden man er klar over det sætte et smudsigt aftryk på målingerne, så de bliver utilregnelige.

Steen H. Hansen forsikrer, at de to første slags usikkerheder i det italienske eksperiment er meget små: 

»De har gjort et kæmpe stykke arbejde, og de har gennemført studiet i hysterisk stor detalje. Hvis man gennemførte 22 eksperimenter af samme slags som det amerikanske MINOS, vil ét af dem være forkert. I det nye italienske studie er usikkeheden langt mindre. Her skal man gennemføre 500 millioner eksperimenter, før ét af eksperimenterne giver et forkert resultat. Det kan godt være, at man netop i dette forsøg har været uheldig, men sandsynligheden for, at det er tilfældet, er uhyre lille,« siger lektor Steen H. Hansen.

Ydmyge italienere vil have tæsk

Til gengæld kan der i det italienske eksperiment godt være noget at komme efter i kategorien 'ukendte faktorer', og det bemærker forskergruppen bag resultatet også selv. 

»I forskernes artikel understreger de ydmygt, at det da godt kan være, at resultatet er rigtigt, men at de har svært ved helt at tro på det. De frygter, at de ubevidst har begået en brøler, og beder direkte andre forskergrupper om at hjælpe dem med at pege på, hvor de har kvajet sig. De opfordrer kolleger til at 'investigate still unknown effects'. Det er en meget uitaliensk måde at være på,« siger Steen H. Hansen og ler.

Neutrinoer 25 milliontedel hurtigere end lyset

I eksperimentet har man skabt bundter af neutrinoer ved at skyde energirige protoner fra en accellerator ind på et materiale. Processen skaber såkaldte myoner, der henfalder til neutrinoer.

Forskerne detekterer neutrinoerne med to identiske detektorer. Den ene har de sat tæt på det sted, hvor neutrinoerne bliver skabt på CERN. Den anden har de sat 730 km væk i et kæmpemæssigt laboratorium, der befinder sig dybt nede i et Italiensk bjerg.

De to detektorer måler det samme. Begge detektorer måler præcis, hvornår der kommer et neutrinobundt susende forbi.

»Forskerne har så overvåget, hvornår et neutrinobundt rammer først den ene detektor og siden den anden. Ved at måle afstanden mellem detektorerne og efterfølgende dividere den med den tid, det tog, fik de et mål for neutrinoernes hastighed. Forskerne nåede frem til, at neutrinoerne bevæger sig 25 miliontedel hurtigere end lyset,« siger lektor Steen H. Hansen.

Jordskælv kan ryste vitalt udstyr

Forskerne har gjort meget for at kunne måle afstanden mellem de to detektorer med ekstremt stor nøjagtighed og at gøre det løbende. Dem, der tror, at denne afstand ligger fast, kan godt tro om igen, for der foregår mange geologiske processer i undergrunden, der kan skubbe til detektorerne. 

Forskerne mener, at de kan sige, hvor langt de to detektorer er fra hinanden på et vilkårligt tidspunkt. I artiklen viser de f.eks., at de i deres studie har taget højde for, at detektorerne flytter sig én centimeter om året på grund af pladetektonik. Men der kan ske voldsommere, uforudsete begivenheder, som de måske ikke har helt så godt styr på, hvordan man tager højde for.

Tilbage i 2009 skete der f.eks. et jordskælv, der rykkede de to detektorer syv centimeter væk fra hinanden. Som en følge af jordskælvet måtte myndighederne rømme byen, fordi det var for farligt at bo der. 

Fakta

Neutrino er fællesbetegnelsen for tre påviste neutrinotyper: νe = elektronneutrino, νμ = myonneutrino, ντ = tauonneutrino, som alle er elementarpartikler.

De tre neutrinotyper har ikke elektrisk ladning og kan ikke vekselvirke med den stærke kernekraft.

Eksistensen af disse bølgepartikler blev foreslået af tænkeren Wolfgang Pauli i 1930, den blev påvist første gang i 1956 af fysikerne Fred Reines og Clyde Cowan.

En fjerde neutrinotype, den "sterile" neutrino er mulig, men den er endnu vanskeligere at påvise end de tre andre typer, er derfor ikke påvist og dens eksistens er følgelig endnu kun en teoretisk mulighed.

»Forskerne synes selv, de kender detektorernes præcise position, men spørgsmålet er, om det er korrekt. Hvis jeg eksempelvis måler hastigheden af et tog, kan det være, at jeg måler ændringen af hastigheden præcist, men det er jo lige meget, hvis jeg ikke er helt klar over, om toget som udgangspunkt kørte omkring 70 km i timen frem for 75 km i timen,« pointerer Steen H. Hansen. 

Ekstra dimensioner eller eksotisk partikel

Han er spændt på at se, om andre kan bekræfte resultatet. 

»HVIS det lykkes at verificere resultatet, så er det KÆMPE stort. Så vil det give os meget anderledes syn på verden,« siger han.

Resultatet kan i så fald tolkes på følgende to måder:

  • Universet har ekstra dimensioner ud over de velkendte tre rummelige og den ene tidslige. Alle de normale partikler, som almindelige dødelige mennesker stifter bekendtskab med i dagligdagen, bevæger sig i rumtiden. Men ifølge den berømte og berygtede strengteori, er der nogle skjulte dimensioner i rummet, som neutrinoer af ukendte årsager kunne finde på at bevæge sig igennem. De skyder så at sige genvej til deres destination og når hurtigere frem til målet end lyset.
     
  • Den anden mulighed er, at neutrinoerne er en særlig slags partikel, som kaldes for en 'tachyon'. Denne form for partikler opfører sig virkeligt sært. Almindelige, velkendte partikler bevæger sig langsommere end lys og bliver endnu langsommere i takt med, at de mister energi til deres omgivelser.

    En 'tachyon' er Rasmus Modsat og bevæger sig ifølge fysikernes modeller hurtigere end lyset og med større og større fart jo mindre energi, de bærer. Eksistensen af tachyoner blev forudsagt allerede i 1962. Indtil i dag har man ikke observeret en tachyon - men det har dette studie altså muligvis lavet om på, da de detekterede neutrinoer i princippet godt kan være en form for tachyoner.

»Den ene løsning er for grim« 

Steen H. Hansen tøver lidt, da journalisten beder ham om at sige sin uforbeholdne mening om de to muligheder. 

»Jeg synes nok umiddelbart, at teorien om de ekstra dimensioner er svær at overskue. Det er ikke pænt at sige det, men det er en grim teori. Men det er selvfølgelig naturen, der bestemmer, og den er nok ret ligeglad med, hvad jeg mener,« siger han udglattende.

Han giver et eksempel på, hvad han mener med grimhed: Hvis du gerne vil køre til Odense fra København, er det nemmeste for dig at køre ad motorvejen over Storebæltsbroen. Du kan selvfølgelig også vælge at sejle til Jylland og så køre via Esbjerg og over Lillebæltsbroen, men det er ikke særligt kønt, for det er en lang, kringlet og dyr rejse.

»Du ville klart foretrække den første vej, og mit gæt er, at naturen ville gøre det samme - den foretrækker formentlig også en model med nogle få simple led frem for en model med 27 faktorer,« siger Steen H. Hansen.

Send en besked til dig selv i fortiden

Den anden mulighed, de mærkværdige tachyoner, vil også udfordre vores verdensbillede, for den vil give os et helt nyt syn på, hvad tid er.

En konsekvens ved tachyoner er nemlig, at man kan sende beskeder tilbage i tiden. I princippet vil det åbne op for den mulighed, at enhver kunne sende besked gennem rummet til sig selv i dag og modtage beskeden i går. 

»Det ville være overvældende, hvis der virkelig var en verden af ekstra dimensioner. Det samme gælder selvfølgelig, hvis der eksisterer partikler, der bliver hurtigere i takt med, at de taber energi,« siger han.

Supernova 1987A viser vejen

Fakta

Tachyon: hypotetisk partikel, der antages at bevæge sig med en hastighed over lysets hastighed i vakuum. Tachyoner er ikke i strid med Einsteins Relativitetsteori - denne teori siger, at partikler, som enten bevæger sig langsommere eller hurtigere end lyset, vil blive ved med at gøre det. Tachyonen bevæger sig ifølge forskernes beregninger altid hurtigere end lyset og vil accellerere op til højere hastigheder i takt med, at den mister energi.

Perspektiverne i det nye resultat er altså enorme. Men Lektor Steen H. Hansens bud er, at resulatet er forkert og skyldes en ukendt fejl ved eksperimentet. 

Hans mistanke bunder i en bitter erfaring fra andre studier, som har vist opsigtsvækkende resultater, der siden er faldet til jorden fordi man opdagede fejl i metoderne.

Han hæfter sig ved, at det nye italienske eksperiment er i modstrid med observationerne af de neutrinoer, der strømmede til Jorden fra supernovaen 1987A.  Kort efter, at supernovaen eksploderede i 1987, detekterede man både fotoner (lyspartikler) og neutrinoer, der strømmede fra supernovaen og ned til Jorden. De to slags partikler ankom stort set til Jorden samtidigt. Hvis neutrinoer virkeligt bevægede sig hurtigere end lys, sådan som det italienske-eksperiment viser, ville neutrinoerne være ankommet til Jorden meget tidligere end lyset.

»De gange, man har haft så stærke modsigelser mellem målinger fra eksperimenter og direkte observationer, har det vist sig, at laboratorierne har misset en systematisk fejl. Mit bud er, at det er det samme, der gør sig gældende her,« siger han.

Brug for flere forsøg

Vdenskab.dk har også snakket med professor Steen Hannestad, som nok er den forsker i Danmark, der ved mest om neutrinoer. Han er ikke kun en højestimeret forsker på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet men har også en fremtrædende position inden for feltet på den internationale forskerscence.

»Det er et troværdigt eksperiment, der er ikke nogen synlige fejl i det. Resultatet bakkes op af det amerikanske studie Minos, den viser en tilsvarende effekt. Umiddelbart er det godt nok svært at tro på, at det er sandt, men det kan ikke afvises at være tilfældet,« siger professor Steen Hannestad.

Han pointerer, at den umiddelbare naive måde at tolke resultatet på er at den såkaldte Lorenz-transformation, der danner grundlaget for Einsteins Specielle Relativitetsteori, er forkert. Hvis den er forkert, trækker den altså også den specielle relativitetsteori med sig i støvet.

Relativitetsteorien står stadig stærkt

»Men det ville være meget meget mærkeligt, hvis det viste sig at være konklusionen på det,« siger han.

Forklaringen er nok snarere, at de observerede neutrinoer er 'sterile' - en særlig klasse neutrinoer, der ifølge teorierne har den specielle egenskab, at kan bevæge sig gennem ekstra dimensioner, som allerede nævnt af lektor Steen H. Hansen.

»Det er fuldstændigt spektakulært, hvis det viser sig, at der er de ekstra dimensioner. Men jeg vil passe på med at drage nogen konklusioner, før resultatet er blevet bekræftet af andre uafhængige studier. Dette resultat er så sært og så dybt at det er nødt til at blive bekræftet mange gange uafhængigt af hinanden, før man tør tro på det,« slutter han.

Hvis resultatet bliver blåstemplet, vil det uden tvivl lave en del ravage i den moderne fysik, siger han. Men han tvivler på, at det vil have kapacitet til ligefrem at kunne smadre den. Einsteins Relativitetsteori er dybt konsolideret og allerede testet i et utal af eksperimenter.

»Det kan godt være, at relativitetsteorien har fejl og mangler, men jeg tvivler stærkt på, at den vil blive direkte modbevist,« siger han.

Dansk fysiker øjner et paradigmeskift

På CERN kommer det nye resultat faktisk også som noget af en overraskelse. Selve studiet er nemlig foregået i Italien, der kun bruger en stråle sendt fra CERN, så CERNs øverste ledelse hørte først om resultaterne for et par uger siden.

Det fortæller den danskfødte fysiker Niels Madsen, der har sin daglige gang på CERN, hvor han arbejder med udforskning af antibrint - et studie, der ifølge mange forskere i sig selv har nobelprisklasse.

»Min første reaktion på dette resultat er at konstatere, at man ikke ser det, man forventer. Det stemmer meget godt overens med diverse tegn fra LHC-accelleratoren, « siger han. 

Han mener, det måske er begyndelsen på enden for 'Standardmodellen', der er en samlet teori for de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter. Det kunne tyde på, at der måske er et paradigmeskifte på vej i vores forståelse af universet på samme niveau som for 100 år siden, hvor kvantemekanik og relativitetsteori væltede den gængse opfattelse.

»Vi går en spændende tid i møde - og det øger også forventningerne til målinger på antibrint. Det er en stor fornøjelse som eksperimentalfysiker at følge det her, for modeller kommer og går hele tiden, men et velgennemført eksperiment vil være sandt til evig tid,« slutter Niels Madsen.

 
Brug artiklen i undervisningen. Denne artikel er udvalgt til undervisning.videnskab.dk Se anbefalinger til brug af artiklen i undervisningen.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs nyt om fusionsenergi, som DTU med forsøgsreaktoren på billedet nedenfor - en såkaldt tokamak - nu er kommet lidt nærmere.