Hektisk blant verdens fysikere

De aller fleste fysikere tror ikke nøytrinoer kan reise raskere enn lyset, men mange jobber på spreng med å forklare hvorfor målinger fra Italia viser at de gjør det.

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

Fra The Gran Sasso National Laboratory (LNGS). (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)
Fra The Gran Sasso National Laboratory (LNGS). (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)

Det er bare et par uker siden en internasjonal forskergruppe fortalte at de hadde målt nøytrinoer som suste av gårde fortere enn lysets hastighet.

De la riktignok til at målingene kan skyldes en feil de ikke har funnet selv, og oppfordret fagmiljøet til å komme med kritikk.

Fysikere verden rundt har ikke nølt med å kaste seg over saken.

- Det har kommet en flom av artikler allerede. Jeg har ikke sett så mye diskusjon noen gang i min karriere, sier førsteamanuensis Are Raklev ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Tre kategorier

Han forteller at artiklene kommer fra fysikere som stort sett passer i én av tre kategorier:

Den første er de som fokuserer på at det må være feil i eksperimentet eller metoden.

Kan det for eksempel være feil ved stoppeklokka, det vil si de ekstremt presise målingene og beregningene som skal til for å klare å fartskontrollere de lynkjappe partiklene?

- Så har vi de som prøver å få Einsteins spesielle relativitetsteori til å passe med resultatet likevel, forteller Raklev.

Dette er en av vitenskapens mest solide teorier, som om og om igjen de siste 106 årene har beskrevet virkeligheten svært presist. En av teoriens konsekvenser er nettopp at ingenting kan slå lyshastigheten.

Enkelte foreslår likevel at partikler teoretisk sett kan observeres bittelitt raskere enn lyset, uten at det skaper problemer for Einsteins teori.

Are Raklev ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo. (Foto: Privat)
Are Raklev ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo. (Foto: Privat)

- Dette er ganske spekulativt, og jeg tror ikke fysikere generelt er enige, sier Raklev.

I den tredje og siste kategorien finner vi de fysikerne som kommer med nye ideer om hva slags teorier som burde komme etter Einsteins.

Er det slik at den spesielle relativitetsteorien ikke stemmer for alt?

OPERA

Forskerne som startet det hele tok tida på nøytrinoer fra de ble sendt ut fra partikkelakseleratoren ved CERN i Sveits, til de ble registrert ved Gran Sasso National Laboratory (LNGS) i Italia – rundt 730 kilometer unna.

Nøytrinoer er en sær type nesten masseløse partikler som ikke påvirkes noe særlig av annen materie, og derfor passerer de uforstyrret gjennom bakken fra Sveits til Italia.

En detektor ved Gran Sasso registrerer nøytrinoene i det de kommer susende. Den heter Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, forkortet OPERA. Detektoren ligger 1 400 meter nede i et fjell.

Det var forskere fra det såkalte OPERA-samarbeidet som offentliggjorde resultatene om de superraske nøytrinoene 23. september.

Det har tidligere blitt rapportert at forskningen kommer fra CERN, men herfra kom bare partikkelstrålen og et mindretall av forskerne bak rapporten.

Tror resultatene er feil

Mediene kastet seg over de tilsynelatende sensasjonelle resultatene, og verden lot seg umiddelbart forbløffe over at nøytrinoene kom fram 60 nanosekunder før en lysstråle som reiste gjennom vakuum ville gjort.

Stemmer målingene, er det tross alt snakk om en sjokkerende overtredelse av den kosmiske fartsgrensa.

Derfor er det heller ikke så merkelig at målingene har skapt en global eksplosjon av fysikeraktivitet.

De diskuterer i gangene, fekter med partikkelargumenter over lunsjen, sender e-poster på kryss og tvers – og legger ut sine egne artikler og hypoteser på nettet.

Her ser du OPERA ved The Gran Sasso National Laboratory (LNGS) inne i fjellet i Italia. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)
Her ser du OPERA ved The Gran Sasso National Laboratory (LNGS) inne i fjellet i Italia. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)

De aller fleste, inkludert forskerne bak målingene, tror resultatene skyldes én eller flere feil.

- Alle jeg har snakket med mener resultatet er feil. Det er ingen som i rent alvor tror det er riktig. Men man vil gjerne undersøke muligheten, sier Raklev.

Det samme rapporterer Erik Adli, forsker ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han har for tiden et forskningsopphold på Stanford University i USA.

- De fleste fysikere, også her ved Stanford, er meget tvilende til at nøtyrinoer faktisk har beveget seg raskere enn lyshastigheten, sier han.

Presisjon

Professor Per Osland ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen er en av de få norske fysikerne som selv har jobbet med nøytrinoer.

Professor Per Osland ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen. (Foto: Privat)
Professor Per Osland ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen. (Foto: Privat)

- Eksperimentalister fra CERN som jeg snakker med, er skeptiske til presisjonen i tidsmålingen som OPERA-samarbeidet hevder å ha, forteller han.

Både avstanden nøytrinoene reiser og tiden de bruker må måles ekstremt nøyaktig.

I tillegg må forskerne ha stor kontroll på hvordan de håndterer protonene fra partikkelakseleratoren, som brukes til å produsere nøytrinoene i denne typen eksperimenter.

OPERA-forskerne har tatt tida på nøytrinoene ved hjelp av to klokker. Den ene i startpunktet ved CERN, og den andre på målstreken i Italia. Disse to klokkene har blitt synkronisert ved hjelp av GPS.

Denne synkroniseringen er ikke ukomplisert. For eksempel er gravitasjonskreftene ved CERN litt sterkere enn ved OPERA-detektoren – og det betyr at klokkene ikke tikker helt i takt.

Å måle hastigheten på en lysstråle er enklere, for den kan reflekteres tilbake til startpunktet, og dermed holder det med én klokke.

Ikke laget for slike målinger

Hastighetsforskjellen som måles kan illustreres på denne måten:

Om vi sender lys og nøytrinoer samtidig fra CERN, vil nøytrinoene nå fram 18 meter foran lyset. Det er ikke mye når avstanden er over 730 kilometer.

- Her er de oppe i en presisjon på 0,01 promille av målingen, eller ti deler i én million. Altså er det ikke særlig mye rom for feil, sier Are Raklev.

Auditoriet var stappfullt da Dario Autiero fra Institut de Physique Nucléaire de Lyonholdt seminar ved CERN den 23. september. På vegne av OPERA-samarbeidet la han fram målingene som viser at nøytrinoer reiser raskere enn lyset. Noen av tilhørerne måtte nøye seg med å stå på gangen. (Foto: CERN)
Auditoriet var stappfullt da Dario Autiero fra Institut de Physique Nucléaire de Lyonholdt seminar ved CERN den 23. september. På vegne av OPERA-samarbeidet la han fram målingene som viser at nøytrinoer reiser raskere enn lyset. Noen av tilhørerne måtte nøye seg med å stå på gangen. (Foto: CERN)

OPERA ble heller ikke opprinnelig laget for å fartskontrollere nøytrinoer, men for å måle nøytrinoenes svingninger.

Disse merkelige partiklene svinger nemlig mellom tre ulike typer – elektron-nøytrinoet, myon-nøytrinoet og tau-nøytrinoet.

- Så var det noen som kom på at de kunne måle hastigheten også. Det spørs om de ikke angrer seg nå, sier Raklev.

Feilmarginer

Siden nøytrinoenes fartsoverskridelse ikke er spesielt stor – 60 nanosekunder, skal det ikke mye korreksjon til før fartsoverskridelsen nærmer seg feilmarginen på 10 nanosekunder, og resultatet ser mye mer usikkert ut.

I USA ble det utført et lignende ekspermient for noen år siden.

Nøytrinoer produsert ved Fermilab nær Chicago ble sendt mot en detektor rundt 730 kilomteter unna i en gammel gruve i Minnesota. Prosjektet het Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS).

I 2007 kom det resultater fra MINOS som viste at nøytrinoene reiste bitte litt raskere enn lyset.

Feilmarginen i beregningene var likevel såpass stor at resultatet ikke var sterkt nok til å kunne si at forskerne hadde oppdaget noe utenom det vanlige.

Man slo seg til ro med at målingene måtte skyldes en feil.

Sjekker gamle data

Nå har forskerne ved Fermilab bestemt seg for å gå gjennom de gamle dataene på nytt, for å se om de kan verifisere OPERA-resultatene på denne måten. Dette arbeidet kan ta rundt seks måneder.

Erik Adli.
Erik Adli.

- Hvis man ikke med sikkerhet greier å identifisere konkrete feilkilder ved CERN/OPERA-eksperimentet, vil dette være en interessant dobbeltsjekk. Men jeg blir ikke overrasket om feilkilder blir identifisert før den tid, sier Erik Adli.

I tillegg planlegger Fermilab å kjøre hele eksperimentet om igjen med oppgradert utstyr, noe som kan ta ett til to år.

Det er dessuten ett siste sted til i verden hvor det er mulig å forsøke å reprodusere resultatene fra OPERA, nemlig KEK-laboratoriet i Japan.

- Men de har hatt nok å stri med i det siste med å reparere skadene etter jordskjelvet, sier Are Raklev.

- Ville miste energi

Inntil gamle data eller nye eksperimenter eventuelt verifiserer eller falsifiserer resultatene fra OPERA, må vi nøye oss med stormen av bidrag fra ulike teoretikere.

- Hver dag kommer det 5-10 nye “forklaringer” på fenomenet, innen spekulative teorier, forteller professor Per Osland.

Bidragene dukker opp fortløpende på nettstedet arXiv.org, som arkiverer tidlige utgaver av vitenskapelige artikler innen blant annet fysikk - før artiklene publiseres i vitenskapelige tidsskrifter.

De aller siste innspillene om nøytrinoene som kanskje er raskere enn lyset, havner på denne lista.

Osland mener det mest autoritative innlegget så langt kommer fra de to forskerne Andrew G. Cohen og Sheldon L. Glashow. Sistnevnte fikk Nobelprisen i fysikk i 1979.

- De sier at hvis slike nøytrinoer virkelig gikk raskere enn lyset, så ville de miste energi i form av eletron-positron par, og ankomme OPERA med noe lavere energi enn det som er målt, forklarer Osland.

Han forteller at teori-avdelingen ved CERN skal arrangere en samling denne uka for å forsøke å finne hull i argumentene til Cohen og Glashow.

Puls

Are Raklev forteller også om en annen type kritikk som går igjen i fysikermiljøet.

Nøytrinoene som sendes ut fra CERN kommer i en puls på 10,5 mikrosekunder. Formen og timingen på hver enkelt puls måles og lagres i begge ender av reisestrekningen.

Disse sølvaktige mursteinene er de såkalte emulsjonsbrikkene som brukes i veggen til OPERA-detektoren. De består av fotografisk emulsjonsfilm lag på lag med blyplater. Apparatet inneholder rundt 150 000 brikker, som tilsammen veier rundt 1300 tonn. Brikkene registrerer nøytrinoene når de treffer, men tidtakingen gjøres med et annet instrument. Til vanlig brukers brikkene til å lete etter tau-nøytrinoer. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy/Marco Pinarelli)
Disse sølvaktige mursteinene er de såkalte emulsjonsbrikkene som brukes i veggen til OPERA-detektoren. De består av fotografisk emulsjonsfilm lag på lag med blyplater. Apparatet inneholder rundt 150 000 brikker, som tilsammen veier rundt 1300 tonn. Brikkene registrerer nøytrinoene når de treffer, men tidtakingen gjøres med et annet instrument. Til vanlig brukers brikkene til å lete etter tau-nøytrinoer. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy/Marco Pinarelli)

- Problemet er at målingene blir veldig sensitive for de første og siste nøytrinoene i hver puls. Skulle det være noe spesielt med dem, får du pulsen på feil sted, sier Raklev.

Nøytrinoene produseres fra protonene i strålen fra partikkelakseleratoren SPS ved CERN.

- Antagelsen til OPERA er at formen på pulsen til nøytrinoene som blir skapt er den samme som formen på pulsen til protonene som skaper dem.

Professor Anna Lipniacka ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen. (Foto: Privat)
Professor Anna Lipniacka ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen. (Foto: Privat)

Det er bare en liten del av nøytrinoene som blir rekonstruert i OPERA.

- Det er altså få av de opprinnelige nøytrionene som ender opp i fjellet i Italia. Spørsmålet man stiller seg er om det er noe spesielt med nøytrinoene som ender opp i begynnelsen og enden av pulsen, forklarer Raklev.

- Skal ikke tro

Professor Anna Lipniacka ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen sier at det kommer til å ta tid før alle eventuelt blir overbevist om at OPERA-forskerne har tatt med alle mulige effekter i tids- og avstandsmålinger på en korrekt måte.

- Og én ting er sikkert. Andre uavhengige eksperimenter trengs for å bekrefte eller avkrefte effekten, sier hun.

Fra Gran Sasso National Laboratory. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)
Fra Gran Sasso National Laboratory. (Foto: National Institute of Nuclear Physics Italy)

- Eksperimentelle fysikere skal ikke tro på resultatene fra kun ett eksperiment med slike ekstraordinære påstander, sier Lipniacka.

- Vil gi bedre forståelse

Heidi Sandaker er forsker ved samme institutt som Lipniacka, og ser for seg at det kommer til å bli en spennende diskusjon i fysikermiljøet framover.

- OPERA-forskerne kommer til å få mange innspill fra fysikere over hele verden. Mye har de sikkert sjekket ut allerede, men kanskje kan de gjøre nye beregninger eller målinger, sier hun.

- Det tar ganske lang tid for utenforstående å forstå alt i et såpass komplekst eksperiment på kort tid, så mer utfordrende kommentarer kommer sikkert etterhvert som tiden går og vi får bedre forståelse for eksperimentet og målingene som er gjort, sier Sandaker.

Heidi Sandaker. (Foto: M. Jaekel, CERN)
Heidi Sandaker. (Foto: M. Jaekel, CERN)

Hun ser ikke bort fra at det kan være mer enn én feilkilde inne i bildet.

- Det kan være flere effekter som forsterker hverandre, slik at det er flere grunner som sammen gir dette merkelige resultatet.

Sandaker tror diskusjonen om resultatene fra OPERA vil føre til en mye bedre forståelse for denne typen fysikk og målinger.

- Kanskje det også dukker opp forslag til nye tekniske løsninger som gjør at man kan måle dette på en annen eller bedre måte i fremtiden, sier hun.

Referanser:

T. Adam mfl: Measurment of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam; publisert på nettet i arkivet arXiv.org; 22. september 2011.

Andrew G. Cohen og Sheldon L. Glashow: New Constraints on Neutrino Velocities; publisert på nettet i arkivet arXiv.org; 29. september 2011.

P. Adamson mfl (MINOS), Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam, Phys. Rev. D76 (2007) 072005.

Lenker:

LNGS: OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to INFG Gran Sasso

LNGS: Video om funnene fra seminar holdt 26. september

CERN: Pressemelding

CERN: Video om funnene fra seminar holdt 23. september
 

Powered by Labrador CMS