Schneller als Einstein erlaubt?

Eine angespannte Mischung aus Begeisterung und Ratlosigkeit herrschte, als Dario Autiero am 23. September um 17 Uhr seinen einstündigen Vortrag beendet hatte. Der große Hörsaal des Europäischen Teilchenphysikzentrums CERN bei Genf war voll besetzt. Einige Stunden vorher hatte das CERN eine Pressemitteilung veröffentlicht. Doch da war die sensationelle Nachricht bereits durchgesickert, und die Forscherkollaboration OPERA hatte einen Vorabdruck ihres Berichts im Internet publiziert: Messungen von über 16 000 Neutrinos hatten ergeben, dass diese Teilchen anscheinend rasanter durch die Erde geflitzt waren, als sich mit der Speziellen Relativitätstheorie vereinbaren lässt.

Albert Einsteins fundamentaler Erkenntnis von 1905 zufolge ist die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit (299 792,458 Kilometer pro Sekunde) die absolute Obergrenze. Materie mit einer Ruhemasse – und dazu gehören Neutrinos – muss langsamer sein. Doch die hochpräzisen Messungen und sorgfältigen Datenauswertungen, die Dario Autiero vom Institut für Kernphysik in Lyon vorstellte, und die er und seine Kollegen in ihrem 24-seitigen Forschungsbericht beschrieben haben, erbrachten das Gegenteil: Die Neutrinos waren um den winzigen, aber signifikanten Betrag von 0,0025 Prozent schneller als das Licht. Wenn das wirklich stimmt, wäre entweder die Relativitätstheorie erschüttert oder ein Durchbruch zu einer neuen Physik gelungen – der erste Blick in eine andere Realität.

EUPHORIE und ZWEIFEL

„Das Ergebnis könnte eine der wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen des Jahrhunderts einleiten”, kommentiert Neutrino-Spezialist Heinrich Päs, Physik-Professor an der Technischen Universität Darmstadt. „Das heißt allerdings nicht, dass ich schon überzeugt bin. Neutrinophysik ist ein hartes Geschäft, und viele angebliche Entdeckungen haben sich später mit verbesserter experimenteller Systematik oder mehr Daten als falsch herausgestellt.” Entsprechend kritisch waren die Fragen, die in der Stunde nach dem Vortrag auf Autiero einprasselten. Er blieb aber keine Antwort schuldig und erläuterte noch weitere Aspekte der akribischen Arbeit seiner Kollegen.

Das Experiment, das weltweit für Schlagzeilen sorgte, heißt OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Mehr als 200 Physiker und Ingenieure von 36 Institutionen in 13 Ländern sind daran beteiligt – in Deutschland gibt es Arbeitsgruppen an den Universitäten Hamburg, Münster und Rostock. Ausgangspunkt von OPERA ist der Teilchenbeschleuniger Super Proton Synchrotron (SPS) am CERN. Er dient auch als Vorbeschleuniger für den Large Hadron Collider (LHC), der mit OPERA aber nicht in Verbindung steht. Im SPS werden Protonen auf 400 Gigaelektronenvolt beschleunigt und von dort auf eine Zielscheibe aus Grafit geschossen.

Bei den Teilchenkollisionen entsteht ein gerichteter Strahl von Pionen. Diese Partikel zerfallen rasch, unter anderem in Myon-Neutrinos mit einer Energie von 17 Gigaelektronenvolt. Sie flitzen dann 730 Kilometer weit durch die Erdkruste zum LNGS-Untergrundlabor (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in der Nähe von Rom. Es befindet sich in einer Halle neben dem Tunnel durch den Gran Sasso unter 1400 Meter Fels, der das Experiment von der störenden Kosmischen Strahlung abschirmt. Dort werden die ankommenden Neutrinos in einer riesigen Anlage aus hochempfindlichen Sensoren in Echtzeit nachgewiesen.

60 MILLIARDSTEL SEKUNDEN ZU SCHNELL

Die Entdeckung der OPERA-Forscher basiert auf Messungen der letzten drei Jahre. Demnach waren die 16 000 registrierten Neutrinos bei ihrer nur 2,43 Tausendstel Sekunden dauernden Reise vom SPS zum LNGS 60 Milliardstel Sekunden zu schnell. Das erscheint wenig, ist aber – wenn es stimmt – eine Sensation, denn damit hätten die Neutrinos die Lichtgeschwindigkeit übertroffen – um 0,0025 Prozent. „Dieses Resultat ist eine Riesenüberraschung”, sagt OPERA-Sprecher Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern. „Es kann große Auswirkungen auf die geltende Physik haben – so große, dass zurzeit eine Interpretation schwierig ist. Weitere Experimente für die Bestätigung dieser Daten müssen unbedingt folgen.” Die OPERA-Forscher hatten lange ihren Messungen nicht getraut und sie ein halbes Jahr lang genauestens überprüft. Hauptsächlich drei Unsicherheiten machten ihnen zu schaffen: die Länge der Flugstrecke, die Dauer der Flugzeit und der Zeitraum der Neutrino-Produktion. In detektivischer Kleinstarbeit suchten die Forscher dort nach Fehlern. Die 730,085 Kilometer lange Flugstrecke der Neutrinos ist auf 20 Zentimeter genau bekannt, und die Zeitunsicherheiten liegen bei weniger als 10 Milliardstel Sekunden. Das ergaben hochpräzise Messungen unter anderem mit dem Satellitennavigationssystem GPS und den leistungsfähigsten Cäsium-Atomuhren der Schweiz und, eigens herbeigeschafft, von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Berücksichtigt wurden sowohl Einflüsse der Ionosphäre auf die Satellitenkommunikation als auch tektonische Bewegungen der Erde. Das Erdbeben in Italien vom 6. April 2009 war in den Daten deutlich zu sehen: Es veränderte die Flugstrecke um sieben Zentimeter. Außerdem wurden die Messungen auf tages- und jahreszeitliche Schwankungen hin untersucht, auf Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie, der Erdrotation und der Mondgravitation. Ergebnis: Die scheinbare Überlichtgeschwindigkeit blieb bestehen.

SEHR GENAU – ABER AUCH RICHTIG?

Insgesamt haben die Physiker bei ihrer Datenauswertung eine statistische Sicherheit von sechs Sigma Standardabweichung erreicht, also weit über 99,999 Prozent. Das liegt über der hohen Messlatte in der Physik: Fünf Sigma genügen normalerweise für eine Entdeckung, in anderen Wissenschaften liegt die Schwelle meist viel tiefer. „Wenn ein Experiment ein scheinbar unglaubliches Resultat hat und keine Messfehler dafür verantwortlich gemacht werden können, dann wird es üblicherweise in breiterem Rahmen überprüft”, sagt CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci. „Genau dies tat die OPERA-Kollaboration. Wenn die Messungen bestätigt werden, könnten sie unser Bild der Physik verändern. Aber wir müssen sicher sein, dass es keine andere, banale Erklärung gibt. Das erfordert unabhängige Messungen.”

In ihrem Forschungsbericht hielten sich die Physiker mit Spekulationen völlig zurück. „Trotz der großen Signifikanz der hier berichteten Messungen und der Zuverlässigkeit der Analyse motiviert die große Bedeutung des Ergebnisses uns, die Untersuchungen fortzusetzen, um mögliche noch unbekannte systematische Effekte zu finden, die die Beobachtungen erklären könnten. Wir versuchen ganz bewusst keine theoretischen oder phänomenologischen Interpretationen der Resultate.” Genau dieselben Worte wählte Dario Autiero am Ende seines Vortrags.

KEINE UNSERIÖSEN BEHAUPTUNGEN

Die Aufregung unter den Physikern ist selbstverständlich groß. Am wahrscheinlichsten ist, dass bei der Datengewinnung oder -analyse trotz der großen Sorgfalt irgendetwas übersehen wurde – ein systematischer Fehler. Denn es hilft nichts, etwas sehr genau zu messen, wenn man es nicht korrekt macht. Deshalb hat die OPERA-Kollaboration auch keine unseriösen „Einstein widerlegt!” -Behauptungen in die Welt posaunt, sondern die irritierenden Resultate nach bestem Wissen und Gewissen zur kritischen Überprüfung der Fachkollegen freigegeben.

Falls kein systematischer Fehler gefunden wird, muss versucht werden, das OPERA-Ergebnis zu reproduzieren. Es gibt weltweit zwei andere Experimente, die dies in den nächsten Jahren mit einigen technischen Verbesserungen tun können. Das eine ist T2K (Tokai to Kamioka) in Japan. Dort werden vom Japan Proton Accelerator Research Complex bei Tokai Myon-Neutrinos in den 295 Kilometer entfernten Super-Kamiokande-Detektor geschickt. Das aufgrund des Fukushima-Erdbebens vorübergehend unterbrochene Experiment soll die Umwandlung von Myon- in Elektron-Neutrinos messen. Erste Indizien dafür wurden im Juni 2011 publiziert. Das andere Experiment ist MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Hier werden seit 2005 Neutrinos am Fermilab bei Chicago produziert und auf Detektoren in der Soudan-Mine im Norden Minnesotas geschossen. 2007 gab das MINOS-Team die Geschwindigkeitsmessung von 473 Neutrinos bei Energien um 3 Gigaelektronenvolt bekannt, die die 734,2986 Kilometer lange Strecke zurückgelegt hatten – bei einer Ortsungenauigkeit von bislang 70 Zentimetern. Tatsächlich waren auch diese Neutrinos um 0,005 Prozent schneller als das Licht – sie kamen 126 Milliardstel Sekunden zu früh ans Ziel. Doch die statistische Unsicherheit (1,8 Sigma) war für eine verlässliche Aussage zu groß.

ERKLÄRUNGEN DES UNERKLÄRLICHEN

Was aber, wenn sich die OPERA-Ergebnisse erhärten sollten? Eine Möglichkeit wäre, dass letztlich die Relativitätstheorie falsch ist. Obwohl sie zu den am besten überprüften und bestätigten Theorien zählt, ist sie nicht über alle Zweifel erhaben. Denn jede wissenschaftliche Theorie kann im Prinzip widerlegt werden. Doch die meisten Physiker sind skeptisch, ob sich Einsteins Meisterwerk von ein paar leichtgewichtigen Geisterteilchen so einfach vom Sockel stoßen lässt. Außerdem: Könnten überlichtschnelle Neutrinos Signale übertragen, ließen sie sich im Prinzip dazu verwenden, Botschaften in die Vergangenheit zu senden. Das wäre zwar nett, um die Aktienkurse von morgen schon heute zu erfahren, könnte aber zu verzwickten Zeitparadoxien führen und das Gefüge von Ursache und Wirkung durcheinanderbringen. Stephen Hawking von der Cambridge University hatte deshalb 1992 ein physikalisches Prinzip zum Schutz der Zeitordnung gefordert, für das es gute Argumente gibt.

Doch vielleicht lässt sich eine ganz andere Erklärung für das überraschende Ergebnis finden. So könnte die Raumzeit eine „ körnige” Struktur haben, oder die Neutrinos nutzen unbekannte Hintergrundfelder, oder sie besitzen unerwartete Eigenschaften. „ Meine erste Reaktion war: Neutrinos verblüffen wieder einmal mit einem Rätsel”, sagt Antonio Ereditato. Vielleicht ist ihre – bislang nur indirekt ermittelte – Masse sogar „imaginär”. Dann wären Neutrinos überlichtschnelle Teilchen, sogenannte Tachy-onen. Darüber haben manche Physiker wie Alan Kostelecký von der Indiana University in Bloomington schon vor einigen Jahren nachgedacht. Tachyonen werden von der Speziellen Relativitätstheorie nicht ausgeschlossen, sondern sogar beschrieben. Allerdings können sie sich niemals langsamer als Licht bewegen.

Eine weitere, besonders faszinierende Möglichkeit haben kürzlich Heinrich Päs und seine Kollegen untersucht: Neutrinos könnten ihren Weg durch Raum oder Zeit abkürzen. So wird schon länger darüber spekuliert, dass es neben den drei bekannten Raum-Dimensionen – Höhe, Breite und Tiefe – extrem winzige Extradimensionen geben könnte. Das ist beispielsweise eine Konsequenz der Stringtheorie, die als Kandidat für eine „ Weltformel” die Naturkräfte einheitlich zu beschreiben versucht. „ Wenn Neutrinos Abkürzungen in Extradimensionen nehmen, erlaubt ihnen das, sich scheinbar überlichtschnell auszubreiten”, sagt Päs. „Wir haben diesen Effekt vorgeschlagen, weil er die Erzeugung der Neutrinomassen erklären könnte sowie rätselhafte Ergebnisse in anderen Experimenten zu Neutrinoumwandlungen.” Dies würde die Relativitätstheorie nicht widerlegen, sondern stünde mit ihr im Einklang. „Bei zwei gestauchten Extradimensionen wären sogar Zeitreisen möglich”, sagt Päs. „Vielleicht ist das OPERA-Ergebnis also der Einstieg in ein neues physikalisches Weltbild, in dem sich Verrücktheiten, wie man sie aus Science-Fiction-Geschichten kennt, nur so tummeln.” ■

von Rüdiger Vaas