Hintergrund | 08.01.2013 | Drucken | Teilen

Neutrinos

Das Kabel, das die Physik erschütterte

Ende 2012 wurde das Opera-Experiment abgestellt. Es ging in die Physikgeschichte ein, weil eine seiner Messungen Einsteins spezieller Relativitätstheorie zu widersprechen schien. Doch dann steckte nur ein wichtiges Kabel nicht richtig. Ein Rückblick.
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Im Inneren des Neutrino-Detektors am Gran Sasso

Unter dem Gran Sasso d'Italia gibt es viele Kabel. Sie laufen unter der klammen Höhlendecke entlang oder schlängeln sich über den grünen Hallenboden des unterirdischen Physiklabors. Sie verschwinden in Oszilloskopen, Magneten oder Stromkästen. Andere Kabel stecken in der Rückseite von Computern, Plastiklaschen bündeln sie zu Datenströmen. Die meisten Kabel der Wissenschaft sind schwarz, grau oder weiß. Sie fallen nicht weiter auf.

Das berühmteste Kabel der jüngeren Wissenschaftsgeschichte ist allerdings gelb. Versteckt in einem unauffälligen Container, läuft es in einen Computertower. Das Kabel gehört zu Opera, dem "Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus". Seinetwegen waren Physiker fünf Monate lang in heller Aufregung, und seinetwegen zweifelten Laien plötzlich am Genie Albert Einsteins – die Physik war plötzlich spannend wie ein Bühnenspiel.

Dabei weist Opera "nur" Neutrinos nach, für viele Nichtphysiker ein eher abstrakter Gegenstand. Dass die flüchtigen ladungsfreien Elementarteilchen gewöhnliche Materie mühelos durchdringen, macht sie aber für die Fachwelt sehr interessant. In Genf, 730 Kilometer vom in den zentralen Abruzzen gelegenen Gran Sasso entfernt, schickte sie der Teilchenbeschleuniger SPS auf die Reise nach Italien: Zwischen 2008 und 2011 schienen die Geisterteilchen etwas zu früh anzukommen – 60 Nanosekunden eher als ein Lichtstrahl, der die gleiche Strecke zurücklegte. Wie kann etwas schneller als das Licht fliegen, wo doch Einsteins spezielle Relativitätstheorie das untersagt? Heute kennt man die Antwort: vermutlich gar nicht. Das gelbe Kabel war nicht richtig in seine Halterung gedreht, die Geschwindigkeitsmessung verfälscht.

Aufbau des Opera-Detektors
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Neutrino-Detektor im Gran Sasso: Tonnenschwere Maschinen wie diese im Rahmen des Opera-Projekts sollen die Teilchenphysik voranbringen.

Die sei ohnehin nur ein Nebenaspekt des Experiments gewesen, sagt Giovanni De Lellis dem Besucher in dem Labor unter der Erde. "Wir wollen zeigen, dass sich Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos umwandeln", erläutert der Sprecher des Opera-Experiments. Der zehn Meter hohe Detektor ragt hinter De Lellis an die Höhlendecke. Er steht im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Zwei Autostunden von Rom entfernt, ist es das italienische Pendant zum Schweizer Kernforschungszentrum CERN. Abgeschirmt von 1400 Meter Fels, arbeiten hier 900 Forscher an 15 Experimenten.

Die Suche nach den Chamäleons

Besuchern malt De Lellis Bilder ins Notizbuch. Damit will er erläutern, welche Rolle das 120 Millionen Euro teure Opera-Experiment im Untergrundensemble der italienischen Physik spielt. Physiker unterscheiden Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos: Wie Chamäleons vermögen sich diese drei Generationen der Neutrinos im Flug ineinander umzuwandeln; die Theorie der "Neutrino-Oszillationen" konnte 1998 erstmals der japanische Super-Kamiokande-Detektor bestätigen. Als Opera acht Jahre später eingeweiht wurde, waren die Verwandlungstricks von weiteren Experimenten bestätigt und vermessen worden. Nur ein letztes Puzzlestück musste noch an seinen Platz gesetzt werden: Dass aus Myon-Neutrinos auch tatsächlich Tau-Neutrinos werden, hat noch kein Experiment direkt beobachtet.

Die Forscher wollen vor allem ausschließen, dass Myon-Neutrinos zerfallen – ein eher exotisches Szenario, dessen Widerlegung mehr Pflichtübung als Sensation ist. Als Opera 1997 entworfen wurde, dürfte sich mancher mehr von dem Koloss erhofft haben, denn damals galten Neutrinos als Boten einer nahenden Physikrevolution. "Vor 20 Jahren dachten wir, Neutrinos könnten der Hauptbestandteil der Dunklen Materie sein", sagt Giovanni De Lellis – die Dunkle Materie ist bis heute eines der großen Rätsel der Physik. Mittlerweile weiß man aber, dass Neutrinos, wenn überhaupt, allenfalls einen kleinen Teil ihrer Masse ausmachen. Und für einen größeren Beitrag zur Theorie der Neutrino-Oszillationen kam Opera zu spät. Erst wurde lange um die Gelder gerungen, dann verzögerte ein Unfall in dem Untergrundlabor den Aufbau.

"Sie haben sicher Verständnis dafür, dass wir nicht jedem antworten können, der behauptet, er hätte eine triviale Erklärung für unser Ergebnis gefunden"
(Antonio Ereditato)

Die Neutrino-Oszillationen waren mit einem Schlag vergessen, als das CERN am 23. September 2011 ein Sonderseminar einberief. Mit der stoischen Geduld eines Grundlagenforschers präsentierte der wissenschaftliche Leiter von Opera die Ergebnisse der brisanten Geschwindigkeitsmessung, mit der überwältigenden Signifikanz von über sechs Sigma. In einer kurz vorher online gestellten Veröffentlichung schrieben die Forscher: "Wir können den beobachteten Effekt nicht durch systematische Unsicherheiten erklären." Aber sie betonten: "Wir wollen das Ergebnis bewusst nicht theoretisch oder phänomenologisch interpretieren." Stattdessen ermunterte man die Physikergemeinde, bei der Fehlersuche zu helfen.

Wo lag der Fehler?

Das tat sie. Auch die Medien steuerten eifrig bei, insbesondere wenn es um die Interpretation ging: Hatten die sonst eher belächelten Gegner der Relativitätstheorie doch Recht? Oder schlüpfen Neutrinos gar durch unsichtbare Extradimensionen und könnten so zu Boten der großen Vereinheitlichung von Gravitationslehre und Quantenmechanik werden? Ganz aus dem Nichts kam diese Hoffnung nicht: Das amerikanische Minos-Experiment hatte 2007 eine ähnliche Messung durchgeführt, die leichte Hinweise auf überlichtschnelle Neutrinos lieferte. Allerdings betrug die Signifikanz der Messung wenig überzeugende 1,7 Sigma. Gegen die Sensation sprach derweil die Beobachtung einer Supernova im Jahr 1987, deren dort freigesetzte Neutrinos die Erde etwa zeitgleich mit dem Licht der Explosion erreicht hatten.

Die meisten Physiker vermuteten daher von Anfang an einen Messfehler. Hatte man an den Effekt der Gezeiten gedacht? Solle man nicht ein Loch zum Detektor bohren, um sicherzugehen, dass der Berg nicht das für die Messung kritische GPS-Signal verfälscht? Hatte man die relativistischen Effekte bei der Satellitenübertragung des Signals berücksichtigt? "Sie haben sicher Verständnis dafür, dass wir nicht jedem antworten können, der behauptet, er hätte eine triviale Erklärung für unser Ergebnis gefunden", schrieb der damalige Sprecher von Opera, Antonio Ereditato, in einer Mail an die "New York Times". Zu dieser Zeit liefen die internen Tests am Experiment auf Hochtouren. Zunächst vermutete man einen Fehler in der Datenanalyse. Erst mehr als einen Monat nach der Veröffentlichung der Ergebnisse wandte man sich technischen Problemen zu – und stieß schließlich auf das gelbe Glasfaserkabel im Container, das nicht richtig in seine Halterung gedreht war.

Das war brisant, denn es handelte sich nicht um irgendein Kabel. Es verband das Untergrundlabor mit dem acht Kilometer entfernten GPS-Empfänger außerhalb des Felsmassivs. Das über die Satelliten des amerikanischen Navigationssystems übertragene Signal war kritisch für die Geschwindigkeitsmessung, da es dazu diente, die Präzisionsuhr am CERN mit der unter dem Gran Sasso zu synchronisieren. Das nicht richtig angebrachte Kabel in Italien führte dazu, dass das als Lichtpuls übertragene GPS-Signal mit 73 Nanosekunden Verzögerung in die Elektronik der Atomuhr gelangte. Die Folge: Die Neutrinos schienen stets etwas zu früh anzukommen. Da half auch nicht, dass noch ein zweiter Fehler gefunden wurde: Die Präzisionsuhr am Gran Sasso war falsch geeicht, was den Effekt aber nur teilweise wieder aufhob.

Im Inneren eines Neutrino-Detektors
 Bild vergrößern Im Inneren eines Neutrino-Detektors
Techniker kontrollieren das Innere eines Neutrino-Detektors im Gran Sasso.

Mittlerweile haben andere Experimente die Messung wiederholt: Weder der Icarus- noch der LVD-Detektor im Gran Sasso konnten den Effekt reproduzieren. Und auch Opera detektierte keine überlichtschnellen Neutrinos mehr, seit das Kabel ersetzt und richtig eingesteckt wurde. Erst Ende Februar 2012 – fünf Monate nach der ersten Bekanntgabe der Ergebnisse – machte man den Messfehler öffentlich und musste eingestehen, dass die Kabelverbindungen zuletzt 2007 überprüft worden waren.

Großer Zoff

In der 170 Forscher starken Kollaboration eskalierte der Streit. Der wissenschaftliche Leiter des Experiments und der Sprecher Antonio Ereditato traten nach einer Vertrauensabstimmung zurück. Letzterer verteidigte sich in einem Statement: "Niemals haben ich oder einer meiner Kollegen von Opera von einer Entdeckung oder einem endgültigen Ergebnis geredet", schrieb Ereditato am 30. März 2012. Er fühlte sich als Opfer des Medienrummels. Tatsächlich hatten sich viele Medien gierig auf die Geschichte gestürzt und sie erst zur Sensation gemacht: Einstein soll geirrt haben? Das verstanden auch jene Menschen, die mit Physik nach der Schulzeit nicht mehr in Berührung kamen.

Aber auch das CERN hatte es verstanden, das Ergebnis in ein historisches Licht zu rücken. Wie selbstverständlich hielt man das riesige Sonderseminar samt Pressekonferenz im September 2011 in Genf ab, obwohl Opera eigentlich unter dem Gran Sasso beheimatet ist. Schließlich witzelte selbst Sheldon Cooper in der populären Physiker-Sitcom "Big Bang Theory": "Überlichtschnelle Teilchen am CERN: Paradigmenwechsel oder Schweizer Export, so löchrig wie der Käse?" Nachdem der Messfehler identifiziert war, betonte die Pressestelle des CERN damals, dass man ja nur die Neutrinos nach Italien schicke.

Doch auch das ist nun vorbei. Am 3. Dezember 2012 schickte das CERN bis auf Weiteres die letzten Neutrinos in Richtung Gran Sasso. Damit endet das Opera-Experiment: In den nächsten zwei Jahren wollen die Forscher noch die verbleibenden Daten analysieren. Bisher sind den Forschern immerhin schon zwei Tau-Neutrinos ins Netz gegangen. Wenn der Strahl aus Genf nach der Ruhepause des LHC und Konsorten im Jahr 2015 zurückkommt, ist der 1250 Tonnen schwere Koloss längst zerlegt worden, und andere Detektoren treten an seine Stelle. Was aber mit dem gelben GPS-Kabel geschieht, ist nicht bekannt.

© Spektrum.de
Detektor OPERA

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