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Sternförmige Laserstrahlen am Nachthimmel

Schneller als das Licht?

Scheinbar überlichtschnelle Teilchen verblüffen derzeit die Physiker am europäischen Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf. Sogenannte Neutrinos, ultraleichte Elementarteilchen, scheinen in einem Experiment rund 0,02 Promille schneller zu fliegen als das Licht.

Physik 23.09.2011

Schneller als erwartet

Sollten sich die Ergebnisse bewahrheiten, dann würde dies gravierende Folgen für das physikalische Weltbild haben. Die Lichtgeschwindigkeit gilt nach Albert Einstein als die oberste Geschwindigkeitsgrenze im Universum und ist bisher in keinem Experiment durchbrochen worden.

Webcast-Präsentation:

Die Ergebnisse des Experiments werden heute um 16h am CERN vorgestellt. Die Präsentation kann per Webcast verfolgt werden.

Studie:

Die entsprechende Studie "Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam" ist auf dem Preprint-Server arXiv.org erschienen.

Ö1 Sendungshinweis:

Dem Thema widmet sich auch ein Beitrag in Wissen aktuell: 23.9., 13:55 Uhr.

Blog-Beitrag: "Liebes Neutrino"

Eintrag zum Ereignis von der Teilchenphysikerin Christine Sutton von der Universität Oxford im Blog "Quantum Diaries".

Die möglicherweise bahnbrechende Beobachtung stammt vom Opera-Experiment, das in einem unterirdischen Labor im Gran Sasso in den italienischen Abruzzen nach Neutrinos späht, die im rund 730 Kilometer entfernten CERN erzeugt und auf die Reise geschickt werden. Die Länge der Flugstrecke der Neutrinos ist nach CERN-Angaben auf 20 Zentimeter genau vermessen. Die rund 2,4 tausendstel Sekunden (Millisekunden) lange Flugzeit lasse sich auf 10 milliardstel Sekunden (Nanosekunden) genau bestimmen.

Elf Kilometer unter der Erde

Die Neutrinos, die vom CERN nach Gran Sasso geschickt werden, bewegen sich in circa elf Kilometern Tiefe durch die Erdkruste (Grafik). Neutrinos können sich durch die Erde bewegen, weil sie kaum mit Materie reagieren. Das Projekt, in dem der Strahl erzeugt wird, nennt sich CNGS - CERN Neutrinos to Gran Sasso.

Die Forscher haben die Flugzeit von rund 15.000 Neutrinos gestoppt. Die Elementarteilchen kamen jedoch im Mittel rund 60 Nanosekunden früher an, als es bei einer Reise mit Lichtgeschwindigkeit zu erwarten gewesen wäre.

Ergebnisse schon länger bekannt

Lichtgeschwindigkeit und Relativitätstheorie

Die Lichtgeschwindigkeit gilt als oberste Geschwindigkeitsgrenze im Universum. Albert Einstein beschreibt sie in seiner Relativitätstheorie als universelle Konstante, deren Größenwert sich nicht verändert. Sie beträgt im Vakuum rund 300.000 Kilometer pro Sekunde. Nichts kann laut Einstein schneller sein.

Die Relativitätstheorie beschäftigt sich mit der Frage, wie relativ zueinander bewegte Beobachter die Welt wahrnehmen. In einer Ergänzung dazu schrieb Einstein die wohl berühmteste Formel: E=mc². Energie ist demnach gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat.

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie bezieht Einstein auch die Schwerkraft mit ein, nach der Massen die Raumzeit verzerren können. Auch das Licht wird der Theorie zufolge nahe großer Massen messbar abgelenkt.

Ob Teilchen schneller sein können als das Licht, hängt auch vom Medium ab, in dem sich beide bewegen. In dichteren Medien bewegt sich Licht langsamer. Daher kommt es zum Beispiel vor, dass sich Elektronen im Kühlwasser von Reaktoren schneller als das Licht darin bewegen. Dadurch entsteht ein Leuchten, das als Tscherenkow-Licht bezeichnet wird.

"Dieses Ergebnis kommt völlig überraschend", sagt der Sprecher des Opera-Experiments, Antonio Ereditato von der Universität Bern. Allerdings sind die Forscher noch weit davon entfernt, in den Beobachtungen eine Verletzung von Einsteins Relativitätstheorie zu sehen. "Die potenziellen Auswirkungen auf die Wissenschaft sind zu groß, um jetzt bereits Schlüsse zu ziehen oder eine physikalische Interpretation zu versuchen", betonte Ereditato.

Im Inneren des Labors in den Abruzzen/San Sasso

CERN

Im Inneren des Forschungslabors in den Abruzzen.

Die Daten, die nun veröffentlicht werden, stammen aus den Jahren 2009 bis 2011. Die überraschenden Ergebnisse sind eigentlich seit März bekannt, sagt die am CERN arbeitende österreichische Physikerin Edda Gschwendter gegenüber Radio Österreich 1. Doch man wollte zunächst sicher gehen, dass kein Fehler unterlaufen ist.

"Seit März haben wir alles nochmal untersucht und sind wieder zum gleichen Resultat gekommen. Wir haben geprüft, geprüft und nochmal geprüft und keine Fehler gefunden. Aber es kann sein, dass wir etwas vergessen haben", sagt Gschwendter. Möglich wäre etwa, dass ein - trotz intensiver Suche - unentdeckter systematischer Fehler die Abweichung der Messwerte verursacht. Auch andere physikalische Erklärungen sind denkbar.

Prüfung durch andere Experimente

"Falls diese Messungen bestätigt werden, könnten sie unsere Sicht auf die Physik verändern", erläuterte CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci in einer Mitteilung. "Aber wir müssen sicher sein, dass es keine anderen, banaleren Erklärungen gibt. Das erfordert unabhängige Messungen."

In der Hoffnung auf eine Erklärung wollen die Forscher die Beobachtungen daher jetzt in der Fachöffentlichkeit diskutieren und haben sie dazu veröffentlicht. "Obwohl wir eine niedrige systematische Unsicherheit und eine hohe statistische Genauigkeit erreicht haben und großes Vertrauen in unsere Resultate haben, begrüßen wir es, sie mit denen anderer Experimente zu vergleichen", betonte Opera-Physiker Dario Autiero.

"Das ist Forschung", sagt zu diesen Unsicherheiten und zur nötigen Überprüfung durch andere auch Gschwendter. Und sie weiß auch schon, wer das machen könnte: "Das Fermi-Lab ist sicher ein guter Kandidat, diese Messungen und die Genauigkeit zu überprüfen. Das wird sehr aufregend."

science.ORF.at/dpa

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