Neue Rätsel um die Überlichtgeschwindigkeit

Eine sensationelle Meldung ging am 23. September 2011 um die Welt: 15 000 Myon-Neutrinos, die im Lauf mehrerer Jahre vom Kernforschungszentrum CERN bei Genf 730 Kilometer weit durch die Erde zum OPERA-Detektor geschossen wurden, waren anscheinend ein wenig flinker gewesen, als die Spezielle Relativitätstheorie erlaubt – um etwa 60 Milliardstel Sekunden. Anders gesagt: Sie sollten die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit um 0,0025 Prozent übertroffen haben (bild der wissenschaft 11/2011, „Schneller als Einstein erlaubt?”).

Doch wahrscheinlich sind die Messungen falsch – ein nicht ganz fest angeschraubter Stecker vor dem Detektor hat die Zeitdaten wohl so verändert, dass die berechnete Geschwindigkeit der Neutrinos zu hoch ausfiel. Das wurde Ende Februar bekannt. Allerdings ist das letzte Wort noch nicht gesprochen. Zum einen scheint auch eine Uhr geringfügig falsch gelaufen zu sein – ein Effekt, der in die entgegengesetzte Richtung wirkt, die Neutrinos also noch schneller machen würde. Zum anderen müssen die Forscher das ganze Experiment genauer kontrollieren und mit einer neuen Testmessung das Timing präzise überprüfen. Daran arbeiten sie gerade. Hinzu kommen weitere Kontrollexperimente. Die Aufregung ist groß. Doch für die Theoretiker hat sich der ganze Wirbel durchaus gelohnt, auch wenn die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit als banaler Fehler entlarvt werden sollte.

1300 Meter unter Fels

Das 2006 begonnene OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion- tRacking Apparatus) befindet sich 1300 Meter unter dem italienischen Gebirgsmassiv Gran Sasso, 120 Kilometer östlich von Rom. Es hilft bei der Erforschung der Neutrinos. Diese geisterhaften Elementarteilchen wechselwirken fast nicht mit Materie und durchdringen daher auch riesige Felsmassen ungehindert. Es gibt drei Typen davon: die Elektron-, die Myon- und die Tau-Neutrinos (sowie deren Antiteilchen). Sie können sich ineinander umwandeln. Um die Oszillation von Myon- in Tau-Neutrinos zu erforschen, wurde OPERA gebaut.

Niemand hatte damit gerechnet, dass als Nebeneffekt eine scheinbare Überlichtgeschwindigkeit entdeckt werden könnte. Umso größer war die Verblüffung, als der OPERA-Forscher Dario Autiero am 23. September 2011 in einem Vortrag am CERN verkündete, die Messdaten würden darauf hindeuten, dass die Neutrinos überlichtschnell unterwegs gewesen seien. Die Lichtgeschwindigkeit gilt als Obergrenze für alles, was eine Masse hat – und Neutrinos besitzen eine winzige Ruhemasse.

Wären die Messungen richtig – und zumindest ein statistischer Fehler war ausgeschlossen –, dann hätte dies eine atemberaubende Konsequenz: Entweder wäre die Relativitätstheorie falsch, oder man könnte – zumindest im Prinzip, und das wäre für Physiker alarmierend genug – Botschaften in die Vergangenheit schicken. Oder beides.

Dass Wirkungen womöglich vor ihren Ursachen stattfinden können, hat bereits eine neue Art von Witzen hervorgebracht. Zum Beispiel: „Der OPERA-Detektor in Italien verstieß in diesem Jahr schon zum zweiten Mal gegen das Kausalitätsprinzip. Das erste Mal in der nächsten Woche.” Oder: „Der Barkeeper sagt: ,Tut mir leid, wir bedienen keine Neutrinos, die schneller sind als Licht.‘ Ein Neutrino kommt in eine Bar.”

Ein Kabel sorgt für Ärger

Doch genug mit den Neutrino-Witzen, die haben wir ja alle morgen schon gehört. Und inzwischen ist den Forschern ohnehin das Lachen vergangen. Denn am 22. Februar berichtete das Online-Magazin „ScienceInsider”, das von dem renommierten US-Wissenschaftsverband American Association for the Advancement of Science herausgegeben wird, von einem losen Glasfaserkabel beim OPERA-Detektor, das GPS-Signale auf einen Computer übermittelt. Mithilfe der GPS-Signale erfolgten die Zeitmessungen der Neutrinosignale vom CERN zu OPERA. Eine systematische Verzerrung der Datenübertragung wäre natürlich verheerend für die Analysen.

Die Nachricht verbreitete sich rasch. Tatsächlich informierte OPERA am 22. Februar das CERN, das Gran-Sasso-Labor und die Geldgeber. Am Tag darauf veröffentlichte das CERN im Auftrag von OPERA eine kurze Pressemitteilung. Das OPERA-Team selbst brachte auf der Webseite des Experiments allerdings erst am 28. Februar eine wortkarge Meldung.

„nichts zu verheimlichen”

„Es gab große Diskussionen. Und wir wollten nicht noch mehr Verwirrung stiften, auch keine Zahlen nennen, die wir später erneut korrigieren müssten. Wir wissen noch zu wenig”, sagt Caren Hagner. Die Physikerin von der Universität Hamburg leitet die deutsche Gruppe, die an OPERA beteiligt ist. „Es gibt aber nichts zu verheimlichen, und sobald die Details klar sind, werden wir sie auch publik machen.” Inzwischen hat das OPERA-Team einen ausführlichen Bericht verfasst, der bis Redaktionsschluss aber noch nicht veröffentlicht wurde.

Fest steht: Es gibt zwei Fehlerquellen in der Elektronik vor dem unterirdischen OPERA-Detektor im Gran-Sasso-Tunnel. Dorthin läuft ein acht Kilometer langes Glasfaserkabel, das die Signale vom GPS-Empfänger und der Atomuhr an der Erdoberfläche zum Detektor in einer Kammer neben dem Straßentunnel schickt. Es mündet in ein Gerät, das die Lichtsignale in elektronische Signale umwandelt und an die OPERA-Hauptuhr schickt. Bei der akribischen Überprüfung der gesamten Anlage haben die Forscher nun festgestellt, dass die Position des Steckers, mit dem das Kabel an das Kästchen angeschraubt ist, die Signalübertragung beeinflusst.

Bloss ein Teil des Signals

„Weicht das Kabel nur ein wenig von der exakten Position ab, kommt bloß ein Teil des Signals im Kästchen an”, sagt Caren Hagner. „Je nach Stärke des Eingangssignals kann die Verzögerung bis zu 100 Nanosekunden betragen.” Das wäre genau die Größenordnung des Überlicht-Effekts. Und tatsächlich saß der Stecker nicht exakt, als die Forscher vor Kurzem die Kabellaufzeiten prüften. Wie groß der dadurch verursachte Fehler war, der das Neutrino-Timing verschoben hat, ist aber noch unklar.

Auch ein Intervallzähler machte Probleme. Er verbessert als eine Art Taktgeber der OPERA-Hauptuhr die Präzision der GPS-Messungen, indem er ihnen einen genauen Zeitstempel aufdrückt. Hier kam es wohl ebenfalls zu einem systematischen Fehler. „Der aktuelle Wert weicht minimal von demjenigen ab, den wir früher gemessen haben. Das muss korrigiert werden”, sagt Hagner. „Wir müssen die Analyse für alle Neutrino-Messungen wiederholen.” Aber: Diese Korrektur bedeutet eine noch größere Neutrino-Geschwindigkeit.

„Momentan sieht es so aus, als ob sich mit beiden Effekten zusammen die 60 Nanosekunden erklären lassen, die die Neutrinos zu schnell waren. Es gibt also starke Anzeichen dafür, dass die Überlichtgeschwindigkeit verschwindet”, räumt Caren Hagner ein. „ Aber im Augenblick können wir keine genaue Aussage machen, weil wir die Ergebnisse nochmals überprüfen und diskutieren müssen.” Insofern ist es nicht ausgeschlossen, dass die Neutrinos doch schneller waren. „Wir wollen uns jetzt nicht zu weit aus dem Fenster lehnen.”

Wie die Meldung im „ScienceInsider” waren die ersten Neutrino-Nachrichten im September schon als Gerücht im Umlauf, bevor es eine offizielle Erklärung von OPERA gab. Solche Informationslecks sind im Internet-Zeitalter kaum zu vermeiden. Doch es gab damals Ärger und Unstimmigkeiten im rund 150 Forscher umfassenden OPERA-Team. Für manchen war die „überlichtschnelle” Nachricht zu rasch an die Öffentlichkeit gelangt. Nicht alle Wissenschaftler hatten die erste Publikation mitgetragen.

Zu den Skeptikern gehörte auch Caren Hagner. „Ich habe die Vorabveröffentlichung zusammen mit einem Dutzend Kollegen nicht unterschrieben”, erklärte sie damals in einem Interview in der Frankfurter Allgemeine Zeitung. „Ich habe überhaupt nichts dagegen einzuwenden, wie man das Experiment zur Flugzeitbestimmung der Neutrinos ausgeführt hat. Ich halte nur den Zeitpunkt, zu dem man die Resultate öffentlich bekannt gab, für verfrüht. Man hätte noch mehr Tests vornehmen müssen.” Sie kritisierte, dass keine Zeit für eine zweite statistische Analyse war, und dass nur ein kleiner Teil des OPERA-Teams bei der Auswertung mitgewirkt hatte.

Erneut überlichtschnell

Am 17. November veröffentlichte das OPERA-Team dann eine überarbeitete Vorabversion des Berichts und reichte diesen zur Begutachtung und Publikation im Journal of High Energy Physics (JHEP) ein. Dabei zeichnete Caren Hagner als Mitautorin – wie auch einige andere, zunächst skeptische Kollegen, aber nicht alle. Diesmal waren viele Team-Mitglieder an der Datenüberprüfung und -auswertung beteiligt, und der statistische Test fiel positiv aus. Zudem wurde schnell noch ein zusätzliches Experiment gemacht, um eine mögliche Fehlerquelle auszuschließen:

Die ursprünglichen Neutrino-Strahlenpulse waren 10,5 Millionstel Sekunden lang. Das erlaubte nur eine statistische Neutrino-Zuordnung, keine individuelle – und es warf ein Problem auf: Vielleicht hatte OPERA hauptsächlich die ersten, energiereichsten Neutrinos pro Puls gemessen. Wenn man beim Experiment aber nicht den Mittelwert, sondern stattdessen das vordere Extrem der Verteilung detektiert hätte, wäre die Durchschnittsgeschwindigkeit überschätzt worden.

Beim CERN wurde rasch gehandelt: Vom 21. Oktober bis zum 7. November wurden wesentlich kürzere Neutrino-Pulse von nur 3 Milliardstel Sekunden im Abstand von über 500 Milliardstel Sekunden erzeugt. Das Ergebnis: Auch diese Neutrinos (20 wurden detektiert) waren schneller als das Licht – um 62,1 plus/minus 3,7 Milliardstel Sekunden. Das stand in guter Übereinstimmung mit dem Wert von 57,8 plus/minus 7,8 Milliardstel Sekunden der über 15 000 Neutrinos in der Hauptanalyse. Dieses Ergebnis überzeugte viele OPERA-Mitglieder, machte statistische Analysen unnötig und widerlegte manche externe Kritik.

WETTLAUF BEI DER FEHLERSUCHE

„Damit war eine große Quelle der Unsicherheit beseitigt”, sagt Hagner. „Aber wir waren uns einig, dass alles noch einmal nachgemessen werden muss, beispielsweise Kabellängen, GPS-Synchronisation, die Zeitsignalübertragung und die Distanzbestimmung zwischen CERN und Gran Sasso.” Und bei dieser Kontrolle fielen auch die Probleme mit dem Stecker und der Uhr auf. „Wir wollten schnell sein und den Fehler selbst finden, bevor das jemand anderes tat”, sagt Hagner. „Deshalb sind wir jetzt auch rasch an die Öffentlichkeit gegangen.” Den Fachartikel für JHEP haben die Forscher zunächst einmal auf Eis gelegt.

Natürlich gab es heftige Diskussionen im Team. „Das ist wie in einem Fußballclub nach einem verlorenen Spiel – da jubelt keiner, sondern es geht rund”, beschreibt Caren Hagner die Stimmung. „ Aber dann muss man sich aufraffen und sehen, welche Konsequenzen man zieht und was zu tun ist. Es muss gewährleistet sein, dass alles richtig ausgewertet wird und dass unser eigentliches Experiment glaubwürdig bleibt.”

Auch wenn sich die Effekte von Kabel und Oszillator mühsam rekonstruieren lassen könnten, würde das nicht ausreichen. Ein neuer Test muss her. Und der war ohnehin bereits für Mai geplant.

Fehler ist leicht aufzuklären

Ab Ende März liefert das CERN wieder Neutrinos. Dann sollen, wie im vergangenen Oktober, noch einmal zwei bis drei Wochen lang kurze Neutrino-Pulse zum Gran Sasso geschickt werden. Damit lässt sich das Timing genau prüfen und eichen. „Die gute Nachricht ist, dass man den Fehler recht einfach aufklären kann”, sagt Hagner. „ Auch die Auswertung geht rasch, wenn alles klappt, aber wir müssen uns sicher sein.”

Von den neuen Neutrino-Pulsen werden auch drei weitere Experimente im Gran Sasso profitieren: Borexino (Boron Experiment), LVD (Large Volume Detector) und ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signal), die eigens mit genaueren Uhren ausgerüstet wurden und die Geschwindigkeiten der Elementarteilchen nun ebenfalls messen können. Das ist unabhängig vom Kabel und der Uhr bei OPERA, also eine echte dreifache Kontrolle. Die einzigen Unsicherheiten, die bleiben, sind die Distanzbestimmung zwischen CERN und Gran Sasso, die die Forscher auf 20 Zentimeter genau zu kennen glauben, sowie die Synchronisation der Atomuhren. Aber auch dies wird noch einmal geprüft.

„Natürlich kann es trotzdem noch Fehler geben”, betont Caren Hagner. „Doch das ist immer so in der Wissenschaft. Deshalb können wir nie alles verifizieren, sondern müssen die Ergebnisse mit einem unabhängigen Experiment überprüfen.”

Ein vergleichsweise banaler Fehler wie der lockere Stecker ist allerdings selten. „In den meisten Großdetektoren gibt es viel Redundanz – und ein solcher Fehler fällt normalerweise auch rasch auf, weil nichts richtig funktioniert. Die Probleme liegen sonst eher in der Statistik oder in unbekannten Störquellen. Insofern hatten wir wirklich Pech.”

Das erhärtet auch ein neues Resultat des ICARUS-Detektors. Er hatte sieben der Neutrinos vom CERN-Strahl im letzten Oktober/November gemessen, wie der Physik-Nobelpreisträger und ICARUS-Sprecher Carlo Rubbia am 16. März bekannt gab. Die Teilchen waren – bei einer statistischen Unsicherheit von vier Nanosekunden – mit Lichtgeschwindigkeit geflogen, nicht schneller. Das steht in direktem Widerspruch zu OPERA

Physiker als Fischer

Die frühe OPERA-Veröffentlichung hat sich also gerächt. In den Massenmedien kam teilweise Spott und Häme auf, auch manche Wissenschaftler finden den Fehler peinlich. Andererseits hat das Thema viele weitere Untersuchungen angeregt. So zerbrachen sich etliche Forscher über mögliche Fehler und Folgen den Kopf und über theoretische Schlupflöcher für Überlichtgeschwindigkeiten. Mehr als 200 wissenschaftliche Artikel wurden bereits geschrieben und teilweise auch in den einschlägigen begutachteten Fachzeitschriften publiziert.

Dabei geht es nicht darum, Spekulationen um irgendwelche Daten zu ranken, sondern tiefere Einsichten in die Zusammenhänge der Natur zu gewinnen. Hier muss viel ausprobiert werden, im Experiment wie in der Theorie. Denn nur wer Netze auswirft, hat eine Chance, vielleicht einmal einen dicken Fisch zu fangen. Ärgerlich wäre aber, wenn der Fisch, den OPERA zu versprechen schien, nun durch die Maschen schlüpft.

Und noch etwas Wichtiges zeigt OPERA: Wissenschaftler halten bei aller berechtigten Skepsis nicht dogmatisch an vorherrschenden Überzeugungen fest, sondern hinterfragen selbst die am besten fundierten Theorien und stellen sie notfalls sogar zur Disposition – in diesem Fall die Spezielle Relativitätstheorie.

Forschung ist keine Römerstrasse

Die Verwirrung um die Neutrinos, das Potpourri der Hypothesen und das mögliche Ende als Messfehler mag aufgrund des Medienrummels manchem Beobachter skurril erscheinen oder sogar als schädlich für die Wissenschaft. Aber es ist kein Grund zur Besorgnis – im Gegenteil: „So funktioniert Wissenschaft immer, nicht nur wenn ein überraschender Effekt auftaucht, vergleichbar mit einem unerwarteten Partygast”, kommentierte die Teilchenphysikerin Christine Sutton von der University of Oxford. „Der wissenschaftliche Prozess ist keine gerade Linie, die große Entdeckungen miteinander verbindet wie eine Römerstraße, sondern er windet sich eher wie ein Fluss, der seine Richtung ändert, je nach der Landschaft, durch die er strömt.”

Rolf Heuer, der Generaldirektor des CERN, nimmt die Aufregung um OPERA deshalb auch gelassen. „Messfehler gehören zum Alltag der Wissenschaft – ebenso wie ihre Aufklärung.” Schmunzelnd erzählt er von der ersten Reaktion von Sergio Bertolucci, dem aus Italien stammenden CERN-Forschungsdirektor, als letztes Jahr das vermeintlich überlichtschnelle OPERA-Resultat publik wurde. Der sagte: „Das Ergebnis muss falsch sein, weil es ein Gesetz der Natur – nicht der Physik – verletzt: Nichts in Italien kommt vor der Zeit an.” ■

bdw-Redakteur RÜDIGER VAAS erklärt in seinem Buch „Tunnel durch Raum und Zeit” die Science und Fiction der Überlichtgeschwindigkeit.

Von Rüdiger Vaas