Er det muligt, at neutrinoer er hurtigere end lyset?

Det er ikke længe siden, at en international forskergruppe fortalte, at de havde målt neutrinoer, som bevægede sig hurtigere end lysets hastighed.

De pointerede, at målingerne kan skyldes en fejl, de ikke har fundet selv, og opfordrede fagmiljøet til at komme med kritik.

Fysikere verden rundt har ikke tøvet med at kaste sig over sagen.

»Det er kommet en ren oversvømmelse af artikler allerede. Jeg har ikke set så meget diskussion nogensinde før i min karriere,« siger førsteamanuensis Are Raklev ved Fysisk institut på Universitetet i Oslo.

Tre kategorier af efterprøvende forskere

Han fortæller, at artiklerne kommer fra fysikere, som stort set passer i én af tre kategorier:

Den første er dem, der fokuserer på, at det må være fejl i eksperimentet eller metoden. Kan det for eksempel være fejl ved stopuret, det vil sige de ekstremt præcise målinger og beregninger, der skal til for at klare at fartkontrollere de lynhurtige partikler.
»Så har vi dem, som prøver at få Einsteins særlige relativitetsteori til at passe med resultatet alligevel,« fortæller Raklev. Dette er en af videnskabens mest solide teorier, som om og om igen de sidste 106 år har beskrevet virkeligheden svært præcist. En af teoriens konsekvenser er netop, at ingenting kan slå lyshastigheden. Enkelte foreslår så, at partikler teoretisk set kan observeres en lille smule hurtigere end lyset, uden at det skaber problemer for Einsteins teori. »Dette er ganske spekulativt, og jeg tror ikke, fysikere generelt er enige,« siger Raklev.
I den tredje og sidste kategori finder vi de fysikere, som kommer med nye ideer om, hvilken slags teorier, der burde komme efter Einsteins. Er det måske sådan, at den særlige relativitetsteori ikke gælder for alt?

Neutrinoer på 730 km lang rejse

Forskerne, der startede det hele, tog tid på neutrinoer, fra de blev sendt ud fra partikelacceleratoren ved CERN i Schweiz, til de blev registreret ved Gran Sasso National Laboratory (LNGS) i Italien – omkring 730 kilometer væk.

Neutrinoer er en særlig type næsten masseløse partikler, der ikke påvirkes særligt af andet stof, og derfor passerer de uforstyrret gennem jorden fra Schweiz til Italien.

En detektor ved Gran Sasso registrerer neutrinoerne i det, de kommer susende. Den hedder Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, forkortet OPERA. Detektoren ligger 1.400 meter nede i et bjerg.

Det var forskere fra det såkaldte OPERA-samarbejde, som offentliggjorde resultaterne om de superhurtige neutrinoer 23. september i år.

Det er tidligere blevet rapporteret, at forskningen kommer fra CERN, men det var kun partikelstrålen og et mindretal af forskerne bag rapporten, der kom derfra.

De fleste forskere mener, resultaterne er forkerte

Medierne kastede sig over de tilsyneladende sensationelle resultater, og verden lod sig umiddelbart forbløffe over, at neutrinoerne kom frem 60 nanosekunder før en lysstråle, som rejste gennem vakuum ville gøre.

Stemmer målingerne, er det en chokerende overtrædelse af den kosmiske fartgrænse.

Derfor er det heller ikke så mærkeligt, at målingerne har skabt en global eksplosion af fysikeraktivitet.

De diskuterer i gangene, fægter med partikelargumenter over frokosten, sender e-mails på kryds og tværs – og lægger deres egne artikler og hypoteser ud på nettet.

De allerfleste, inklusiv forskerne bag målingerne, tror resultaterne skyldes én eller flere fejl.

»Alle, jeg har snakket med, mener, resultatet er fejl. Det er ingen, der i ren alvor tror, det er rigtig. Men man vil gerne undersøge muligheden,« siger Raklev.

Det samme rapporterer Erik Adli, forsker ved Fysisk institut på Universitetet i Oslo, som for tiden er på et forskningsophold på Stanford University i USA.

»De fleste fysikere, også her ved Stanford, tvivler på, at neutrinoerne faktisk har bevæget sig hurtigere end lyshastigheden,« siger han.

Stopure ude af takt

Professor Per Osland ved Institut for fysik og teknologi på Universitetet i Bergen er en af de få norske fysikere, der selv har arbejdet med neutrinoer.

»Eksperimentalister fra CERN, som jeg snakker med, er skeptiske over for præcisionen i tidsmålingen, som OPERA-samarbejdet hævder at have,« fortæller han.

Både afstanden neutrinoerne rejser, og tiden de bruger, må måles ekstremt nøjagtigt.

Hertil kommer, at forskerne må have stor kontrol over, hvordan de håndterer protonerne fra partikelacceleratoren, som bruges til at producere neutrinoerne i denne type eksperiment.

OPERA-forskerne har taget tid på neutrinoerne ved hjælp af to ure. Det ene i startpunktet ved CERN, og det andet på målstregen i Italien. Disse to ure er blevet synkroniseret ved hjælp af GPS.

Denne synkronisering er ikke ukompliceret. For eksempel er gravitationskræfterne ved CERN lidt stærkere end ved OPERA-detektoren – og det betyder, at urene ikke tikker helt i takt.

At måle hastigheden på en lysstråle er enklere, for den kan reflekteres tilbage til startpunktet, og dermed er det nok med ét ur.

OPERA er bygget til andre formål

Hastighedsforskellen, som måles, kan illustreres på denne måde:

Hvis vi sender lys og neutrinoer samtidigt fra CERN, vil neutrinoerne nå frem 18 meter foran lyset. Det er ikke meget, når afstanden er over 730 kilometer.

»Her er de oppe i en præcision på 0,01 promille af målingen, eller ti dele af én million. Altså er der ikke særlig meget plads til fejl,« siger Are Raklev.

OPERA blev heller ikke oprindelig lavet til at fartkontrollere neutrinoer, men til at måle neutrinoernes svingninger.

Disse mærkelige partikler svinger nemlig mellem tre forskellige typer – elektron-neutrinoer, myon-neutrinoer og tau-neutrinoer.

»Så var der nogen, der kom på, at de kunne måle hastigheden også. Det er så spørgsmålet, som de fortryder det nu,« siger Raklev.

Ældre forskning viste samme resultater men med for stor fejlmargin

Siden neutrinoernes fartoverskridelse ikke er specielt stor – 60 nanosekunder - skal der ikke meget korrektion til, før fartoverskridelsen nærmer sig fejlmarginen på 10 nanosekunder, og resultatet ser meget mere usikkert ud.

I USA blev der udført et lignende eksperiment for nogle år siden.

Neutrinoer produceret ved Fermilab nær Chicago blev sendt mod en detektor omkring 730 kilometer væk i en gammel mine i Minnesota. Projektet hed Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS).

I 2007 kom der resultater fra MINOS, som viste, at neutrinoerne bevægede sig en lille smule hurtigere end lyset.

Fejlmarginen i beregningerne var alligevel så tilpas stor, at resultatet ikke var stærkt nok til at kunne sige, at forskerne havde opdaget noget ud over det sædvanlige.

Man slog sig til tåls med, at målingerne måtte skyldes en fejl.

De gamle data findes nu frem igen

Nu har forskerne ved Fermilab bestemt sig for at gennemgå de gamle data på ny for at se, om de kan verificere OPERA-resultaterne på den måde. Dette arbejde kan tage op til seks måneder.

»Hvis man ikke med sikkerhed formår at identificere konkrete fejlkilder ved CERN/OPERA-eksperimentet, vil dette være en interessant efterprøvning. Men jeg bliver ikke overrasket, hvis fejlkilder bliver identificeret inden da,« siger Erik Adli.

Fermilab planlægger også at køre hele eksperimentet om igen med opgraderet udstyr – noget, der kan tage ét til to år.

Det er desuden et sidste sted til i verden, hvor det er mulig at forsøge at reproducere resultaterne fra OPERA, nemlig KEK-laboratoriet i Japan.

»Men på det sidste har de haft nok at gøre med at få repareret skaderne efter jordskælvet,« siger Are Raklev.

Alternative teorier om fænomenet

Indtil gamle data eller nye eksperimenter eventuelt verificerer eller falsificerer resultaterne fra OPERA, må vi nøjes med stormen af bidrag fra forskellige teoretikere.

»Hver dag kommer der 5-10 nye "forklaringer" på fænomenet - spekulative teorier,« fortæller professor Per Osland.

Bidragene dukker op løbende på netstedet arXiv.org, som arkiverer tidlige udgaver af videnskabelige artikler blandt andet inden for fysik - inden artiklerne publiceres i videnskabelige tidsskrifter.

De seneste kommentarer er om neutrinoerne, som måske er hurtigere end lyset, havner på denne liste.

Osland mener, det mest autoritative indlæg indtil nu kommer fra de to forskere Andrew G. Cohen og Sheldon L. Glashow. Sistnævnte fik Nobelprisen i fysik i 1979.

»De siger, at hvis neutrinoer virkelig bevæger sig hurtigere end lyset, så ville de miste energi i form af elektron-positron-par og ankomme til OPERA med noget lavere energi end det, som er målt,« forklarer Osland.

Han fortæller, at teori-afdelingen ved CERN vil arrangere en konference for at forsøge at finde hul i Cohen og Glashows argumenter.

Forskelle på neutrinoerne først og sidst i pulsen

Are Raklev fortæller også om en anden type kritik, som går igen i fysikermiljøet.

Neutrinoerne, som sendes ud fra CERN, kommer i en puls på 10,5 mikrosekunder. Formen og timingen på hver enkelt puls måles og lagres i begge ender af rejsestrækningen.

»Problemet er, at målingerne bliver meget sensitive for de første og sidste neutrinoer i hver puls. Skulle der være noget specielt ved dem, får du pulsen på et forkert sted,« siger Raklev.

Neutrinoerne produceres fra protonerne i strålen fra partikelacceleratoren SPS ved CERN.

»Antagelsen hos OPERA er, at formen på neutrinoernes puls, som bliver skabt, er den samme som formen på protonernes puls, der skaber dem.«

Det er kun en lille del af neutrinoerne, der bliver rekonstrueret i OPERA.

»Det er altså få af de oprindelige neutrinoer, der ender i bjerget i Italien. Spørgsmålet, man stiller sig, er, om der er noget specielt ved neutrinoerne, der er i begyndelsen og enden af pulsen,« forklarer Raklev.

Teorien skal bevises med flere forsøg

Professor Anna Lipniacka ved Institut for fysik og teknologi på Universitetet i Bergen siger, at det kommer til at tage tid, før alle eventuelt bliver overbevist om, at OPERA-forskerne har beregnet alle mulige effekter i tids- og afstandsmålinger på en korrekt måde.

»Og én ting er sikkert. Andre uafhængige eksperimenter er nødvendige for at bekræfte eller afkræfte effekten,« siger hun.

»Eksperimentelle fysikere skal ikke tro på resultaterne alene ud fra ét eksperiment med sådanne ekstraordinære påstande,« siger Lipniacka.

Der kan være flere fejlkilder i spil

Heidi Sandaker er forsker ved samme institut som Lipniacka, og hun tror, at det kommer til at blive en spændende diskussion i fysikermiljøet fremover.

»OPERA-forskerne kommer til at få mange indspil fra fysikere over hele verden. Meget har de sikkert tjekket allerede, men måske kan de lave nye beregninger eller målinger,« siger hun.

»Det tager ret lang tid for udenforstående at forstå alt i et så komplekst eksperiment på kort tid, så mere udfordrende kommentarer kommer sikkert med tiden, når vi får bedre forståelse for eksperimentet og målingerne, der er lavet,« siger Sandaker.

Hun ser ikke bort fra, at det kan være mere end én fejlkilde i spil.

»Der kan være flere effekter, som forstærker hinanden, sådan så det er flere kilder, der tilsammen giver dette mærkelige resultat«.

Sandaker tror, diskussionen om resultaterne fra OPERA vil føre til en meget bedre forståelse af denne type fysik og målinger.

»Måske dukker der også forslag frem til nye tekniske løsninger, som gør, at man kan måle fænomenet på en anden eller bedre måde i fremtiden,« siger hun.

Fra The Gran Sasso National Laboratory (LNGS). (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)

Her ser du OPERA ved The Gran Sasso National Laboratory (LNGS) inde i bjerget i Italien. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)

Auditoriet var propfyldt, da Dario Autiero fra Institut de Physique Nucléaire de Lyonholdt afholdt et seminar ved CERN 23. september. På vegne af OPERA-samarbejdet fremlagde han målingerne, der viser, at neutrinoerne bevæger sig hurtigere end lyset. Nogle af tilhørerne måtte tage til takke med at stå i gangarealet. (Foto: CERN)

Disse sølvagtige mursten er de såkaldte emulsionsklodser, som bruges i væggene omkring OPERA-detektoren. De består af fotografisk emulsionsfilm lag på lag med blyplader. Apparatet indeholder omkring 150.000 klodser, som tilsammen vejer omkring 1.300 ton. Klodserne registrerer neutrinoerne, når de rammer, men tidtagningen laves med et andet instrument. Almindeligvis bruges klodserne til at søge efter tau-neutrinoer. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy/Marco Pinarelli)