Kaum zwei Wochen ist es her, dass eine bemerkenswerte Entdeckung die Runde machte: Neutrinos waren beobachtet worden, die angeblich schneller als das Licht reisten. Doch nun behaupten einige Physiker, sie hätten Schwachstellen in der Analyse aufgedeckt.

Das bemerkenswerte Ergebnis stammt vom OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus), das aus einem unterirdischen Detektor im Gran-Sasso-Gebirgsmassiv in der Nähe von Rom besteht und in 1400 Meter Tiefe aufgebaut ist. Dort stoppten Wissenschaftler die Zeit, die Myon-Neutrinos aus dem CERN bei Genf benötigen, um die 731 Kilometer zwischen beiden Standorten zurückzulegen. Die Teilchenforscher waren überrascht, dass die Neutrinos 60 Nanosekunden früher ankamen als ein Lichtstrahl, der die gleiche Strecke in einem Vakuum zurückgelegt hätte. Damit hätten die Teilchen eine Grenze durchbrochen, die Physiker bislang als unveränderliche kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung betrachtet hatten [1].

Neutrino-Detektor
© Francesco Arneodo, LNGS-INFN
(Ausschnitt)
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Seit das OPERA-Team am 22. September sein Ergebnis verkündet hatte, folgten mehr als 30 Vorabveröffentlichungen auf dem ArXiv.org-Server, die das Phänomen erklären sollten – teilweise unter Verwendung exotischer theoretischer Modelle. Eines davon stellt allerdings die Berechnungen in Frage: Der Theoretiker Carlo Contaldi vom Imperial College in London kritisierte am 28. September als Erster auf dem arXiv-Server das Ergebnis seiner Kollegen [2].

Eine Frage der Uhrabgleichung?

Die OPERA-Forscher stoppten die Neutrinozeiten mit Uhren an beiden Standorten, die mit Hilfe von GPS-Signalen von einem einzigen Satelliten synchronisiert wurden. Contaldi behauptet nun jedoch in seiner Publikation, dass die OPERA-Gruppe einen Aspekt von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nicht ins Kalkül gezogen hätte: den schwachen Unterschied der Gravitationskraft zwischen beiden Orten. Er sorge dafür, dass beide Uhren unterschiedlich schnell tickten, so Contaldi.

Da das CERN näher zum Erdkern liege als der Gebirgsstock Gran Sasso, wirke bei Genf die Erdanziehungskraft etwas stärker – und folglich geht die Uhr auf dem italienischen Berg etwas schneller als jene im Schweizer Tal. "Das würde die Signifikanz des Ergebnisses reduzieren", sagt Contaldi.

Doch Dario Autiero vom Institut für Kernphysik in Lyons, der Koordinator von OPERA, erwidert, dass es sich bei der Kritik seines Kollegen um ein Missverständnis des Synchronisationsprozesses der Uhren handelt. Seine Mitarbeiter wollten nun das eigene Paper überarbeiten, um ihre Vorgehensweise deutlicher herauszustellen. Und Autiero weist darauf hin, dass OPERA die Aufsehen erregende Beobachtung doch recht vorsichtig präsentiert habe und ohne daraus zu schließen, dass die Gesetze der Physik umgestülpt worden wären. Seine E-Mail-Diskussion mit Contaldi setzt sich derweil fort und wird von Dutzenden Physikern mitverfolgt.

Nanosekunden entscheiden über Wohl und Wehe

Zwei Uhren sind nötig, um die Zeit der Neutrinoreise zu messen: eine am Anfang und eine am Ende der Strecke. Sie müssten deshalb auf die Nanosekunde genau synchronisiert werden, um eine exakte Zeitnahme zu gewährleisten, erklärt Toby Wiseman, der ebenfalls als Theoretischer Physiker am Imperial College arbeitet. Dagegen ist die Geschwindigkeit des Lichts auf dieser Distanz einfacher zu erfassen, da man den Strahl zurück zu seinem Ausgangspunkt reflektieren könnte. Die Zeit für die Rundreise ließe sich dann mit nur einer Uhr erfassen. "Die Kernfrage ist, ob sie ihre Uhren nun exakt synchronisiert haben – oder nicht", so Wiseman.

Contaldi räumt ein, dass er in seiner ursprünglichen Analyse auf dem ArXiv fälschlicherweise angenommen habe, dass die Zeitnahme von OPERA auf einer Uhr basierte, die vom einen Ende des Strahls zum anderen bewegt wurde. Aber selbst wenn die Uhren mit GPS synchronisiert worden sind, so entfernte dies nicht die Auswirkungen der Zeitdilatation, die sich zu Dutzenden Nanosekunden summieren könnten, so der Physiker.

Und dieser Effekt würde entsprechend die statistische Signifikanz der Messungen verringern – die OPERA gegenwärtig noch mit sechs Standardabweichungen angibt (schon ein Wert von fünf Standradabweichungen gilt in der Teilchenphysik als starker Beleg). Contaldi sagt aber, dass der zusätzliche Fehler durch die Dilatation den Wert auf nur noch zwei oder drei Standardabweichungen drückt – genug, um nur noch einen schwachen Hinweis auf einen möglichen überlichtschnellen Effekt zuzulassen.

Mit seiner Meinung steht Contaldi zumindest auf dem ArXive noch relativ alleine da. Doch sein Kollege Wiseman hat ein mögliche Erklärung dafür, dass bislang nur wenige Kritiken veröffentlicht wurden: Das komplexe Experiment und ein Mangel an Details zur Uhrensynchronisation im ursprünglichen OPERA-Artikel verzögerten entsprechende Kritiken, doch seien mittlerweile wahrscheinlich schon weitere in Bearbeitung, so der Forscher. "Carlo weist darauf hin, wie schwierig es ist, Kritik an der Arbeit zu üben, wenn man nicht selbst in dem Forschungsverbund arbeitet", sagt Wiseman.

Doch mittlerweile gesellen sich erste Mitstreiter an die Seite Contaldis. Am 2. Oktober hat Gilles Henry vom Institut de Planétologie et d'Astrophysique in Grenoble seine eigenen kritischen Anmerkungen online zur Debatte gestellt [3]. Er argumentiert, dass Schwankungen im Neutrinostrahl die Wahrscheinlichkeit verringern, dass die Teilchen im Gran Sasso exakt detektiert werden. Gleichzeitig vergrößert sich dadurch die Messunsicherheit in ihrer Flugzeit so weit, dass überlichtschnelle Ergebnisse herauskommen könnten. Noch hat OPERA auf diese Kritik nicht geantwortet.