bearbeitet: 03.10.2011     
ergänzt: 25.02.2012     
ergänzt: 18.06.2012     

Erklärung zum Neutrinoexperiment im CERN:

Die Relativitätstheorie ist nicht widerlegt

Eine Überlegung von Dr. Manfred Pohl

Unter der Überschrift "Schneller als das Licht?" findet man im St. Galler Tagblatt vom 24.09.2011 einen Artikel, der mit folgenden Darstellungen eingeleitet wird:

"Einstein hat vielleicht doch nicht recht: Neutrinos sind schneller als Licht.
Genfer Kernforscher rufen die internationale Wissenschaftsgemeinschaft um Hilfe."

Die Märkische Allgemeine Zeitung schreibt am 29.09.2011 zum gleichen Thema:

"PHYSIK: Ein Weltbild könnte wackeln.

Forscher stellen Teilchen schneller als das Licht fest / Laut Einstein gibt es das aber nicht.
POTSDAM - Die Forscher in dem unterirdischen Labor im Gran-Sasso-Massiv in den italienischen Abruzzen müssen ihren Augen nicht getraut haben. Was sie da auf ihren Geräten erspähten, könnte das Zeug haben, Einsteins Relativitätstheorie ins Wanken zu bringen."

Marc Engelhardt aus Genf hat dazu im CERN folgendes recherchiert:

"Manche Forschungsergebnisse dürfte es gar nicht geben", glaubt Antonio Ereditato. "Das Ergebnis ist eine absolute Überraschung für uns gewesen", sagt der Berner Physikprofessor. Monatelang haben er und die am Genfer Kernforschungszentrum (CERN) angesiedelte Opera-Forschungsgruppe mehr als 15.000 Messergebnisse untersucht und keine Fehler gefunden. Trotzdem kann Ereditato die Ergebnisse kaum glauben. Denn wenn sie stimmen, müsste die Physik ihr geliebtestes - und in zahlreichen Experimenten nachgewiesenes - Fundament aufgeben: die Relativitätstheorie."

Meine Antwort dazu lautet: Neutrinos sind nicht schneller als das Licht,
die Relativitätstheorie ist mit dem Experiment nicht widerlegt.

Kein Teilchen, gleichgültig, wie es beschaffen ist, kann sich schneller bewegen, als das Licht. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante. Sie wird unter anderem dazu verwendet, das Meter als den 299.799.958sten Teil des in einer Sekunde zurückgelegten Lichtweges im Vakuum zu definieren. Ein genaueres Verfahren gibt es bis heute nicht.

Ungeachtet des Widerspruchs hat die Opera-Forschungsgruppe eine geniale Arbeit geleistet. Es gehört zu den weltbedeutenden wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Leistungen, ein solches Experiment zu projektieren, zu planen und in die Praxis umzusetzen. Es ist in seiner Bedeutung dem unten zitierten Experiment vergleichbar. Ich bin überzeugt, die Versuchsanordnung des Neutrinoexperimentes ist zu 100% exakt in Planung und Ausführung. An den Messungen und den ermittelten Meßwerten gibt es mit Sicherheit keinerlei Zweifel.

Dennoch liegt ein Widerspruch vor, denn auch Neutrinos können sich nicht schneller als das Licht bewegen. Der Fehler liegt jedoch nicht in der handwerklichen Ausführung des Experimentes. Er liegt in der Beurteilung der Meßergebnisse.

Um das zu erklären, erwähne ich zunächst ein anderes Experiment:

"Ein gemeinsames Projekt der NASA und der Stanford University sollte die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein testen. Mit dem am 20.04.2004 gestarteten Gravity Probe B-Experiment wurden vom 28.08.2004 bis zum 29.09.2005 Messungen durchgeführt. Nach der Auswertung der Ergebnisse im Dezember 2008 konnten zwei geprüfte Aussagen mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigt werden. Der Gravity Probe B (GP-B)-Satellit bestätigte sowohl den geodätischen Effekt als auch den sogenannten Lense-Thirring-Effekt. Der erste Effekt beschreibt das Phänomen, daß ein massereicher Gravitationskörper, in dem Fall die Erde, die Raumzeit um sich herum krümmt. Die Erde erzeugt somit eine Art Delle in der Raumzeit." (Quelle: Wikipedia)

Diese Krümmung der Raumzeit durch die Masse der Erde ist der Schlüssel zur Lösung des Widerspruches. Für einen Beobachter im Inertialsystem der Erde ändert sich durch die Krümmung der Raumzeit die Länge des Weges der Neutrinos von der Quelle im CERN bis zum 730 km entfernten Ziel in Gran Sasso, Italien. Dies ist eine scheinbare Verlängerung, die im Inertialsystem der Neutrinos nicht vorhanden ist. Sie beträgt etwa 18,3 m. Teilt man diese scheinbar verlängerte Wegstrecke durch die gemessene Zeit von 0,002434975 s, so erhält man eine Scheingeschwindigkeit von c+7,5 km/s, also 299.799,958 km/s (299.792,458 + 7,5 km/s). Tatsächlich aber bewegen sich die Neutrinos mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c.

Das Experiment hat durch diese Änderung der Betrachtungsweise an Bedeutung nichts eingebüßt, im Gegenteil, es hat an Wert gewonnen. Betrachtet man das Experiment unter Berücksichtigung dieser Überlegungen, so bestätigt es ein weiteres Mal, daß die Masse der Erde zu einer Raumzeitkrümmung führt, also die Relativitätstheorie Einsteins richtig ist. Für diese Feststellung muß lediglich der Ausgangspunkt der Überlegung geändert werden. Die mit einer extrem hohen Genauigkeit ermittelten Meßergebnisse erlauben auf einem anderen Wege, die Größe der Krümmung der Raumzeitkoordinaten durch die Erdmasse rechnerisch zu ermitteln, womit eine Überprüfung und die Bestätigung der Ergebnisse der Gravity Probe B möglich wird.

03.10.2011,
Dr. Manfred Pohl

Ergänzung vom 25.02.2012

Am 23.02.2012 findet man nun in der Märkischen Allgemeinen Zeitung die folgende Meldung:

"Elementarteilchen doch nicht schneller als Licht?

Genf (dpa) - Ihr Experiment schien Einsteins Relativitätstheorie in Frage zu stellen. Nun, fünf Monate später, haben die Physiker am Europäischen Teilchenforschungszentrum CERN mögliche Fehler eingeräumt. Ein defektes Glasfaserkabel und ein GPS-Gerät könnten Ursache für den Messfehler sein.

Ein Team am CERN bei Genf hatte im Jahr 2011 Messergebnisse verkündet, die nahelegten, dass manche Elementarteilchen doch schneller als das Licht sein könnten. Nun erklärte die Opera-Forschergruppe jedoch, es seien "zwei mögliche Effekte identifiziert worden, welche die Messung der Neutrino-Geschwindigkeit beeinflusst haben könnten". Nun seien weitere Tests erforderlich. Die neuen Versuche sollen Mai unternommen werden.

Die Lichtgeschwindigkeit gilt laut Relativitätstheorie als absolute Tempogrenze des Universums. Sie wurde noch in keinem Experiment eindeutig durchbrochen. Ein Fehler könne die 2011 gemessene Flugzeit der Neutrinos nach Forscherangaben erhöht, der andere sie erniedrigt haben.

Bei den möglichen Messfehlern geht es konkret um ein Gerät, das für die Synchronisierung von GPS-Daten eingesetzt wurde und eventuell nicht präzise genug funktionierte. "Er könnte zu einer Überschätzung der Flugzeit der Neutrinos geführt haben", vermuten die Opera-Wissenschaftler. Zudem steht ein möglicherweise defektes Glasfaserkabel in Verdacht, durch das die GPS-Signale an den Hauptzeitmesser übertragen wurden, was in diesem Fall zu einer Unterschätzung der Flugzeit geführt haben könnte.

Bei dem Opera-Projekt war in einem unterirdischen Labor in den Abruzzen die Geschwindigkeit von Elementarteilchen gemessen worden, die im rund 730 Kilometer entfernten CERN bei Genf erzeugt worden waren. Diese sogenannten Neutrinos waren dabei scheinbar schneller als das Licht unterwegs, wenngleich nur um 0,025 Promille und damit extrem geringfügig."

Der Originaltext der Mitteilung aus dem CERN lautet:

"OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso
Update 23 February 2012

The OPERA collaboration has informed its funding agencies and host laboratories that it has identified two possible effects that could have an influence on its neutrino timing measurement. These both require further tests with a short pulsed beam. If confirmed, one would increase the size of the measured effect, the other would diminish it. The first possible effect concerns an oscillator used to provide the time stamps for GPS synchronizations. It could have led to an overestimate of the neutrino's time of flight. The second concerns the optical fibre connector that brings the external GPS signal to the OPERA master clock, which may not have been functioning correctly when the measurements were taken. If this is the case, it could have led to an underestimate of the time of flight of the neutrinos. The potential extent of these two effects is being studied by the OPERA collaboration. New measurements with short pulsed beams are scheduled for May."

Übersetzung:

OPERA berichtet über Anomalien in der Flugzeit der Neutrinos vom CERN nach Gran Sasso
Aktualisierung vom 23. Februar 2012

Die OPERA-Forschungsgruppe hat seine Forschungsstellen und die teilnehmenden Laboratorien darüber informiert, daß sie zwei mögliche Effekte, die einen Einfluß auf ihre Neutrino-Zeitmessung haben konnten, identifiziert hat. Beide erfordern weitere Tests mit einem kurzen gepulsten Strahl. Sollte sich dies bestätigen, würde einer die Größe des gemessenen Effekts erhöhen, der andere würde ihn verringern. Der erste mögliche Effekt betrifft einen Oszillator, der den Zeittakt der GPS-Synchronisationen bestimmt. Dies könnte zu einer Höherbewertung der Flugzeit der Neutrinos geführt haben. Der zweite betrifft einen Lichtwellenleiter-Steckverbinder, der das externe GPS-Signal an den zentralen OPERA-Zeitgeber liefert, der bei der Ausführung der Messungen möglicherweise nicht richtig funktioniert hat. In diesem Falle könnte es zu einer Unterbewertung der Neutrino-Flugzeit geführt haben. Die potentiellen Auswirkungen dieser beiden Effekte wird derzeit von der OPERA-Forschungsgruppe untersucht. Neue Messungen mit kurzen gepulsten Strahlen sind für Mai geplant.

Bauernopfer?

Neben den Wissenschaftlern wirken in der Opera-Forschungsgruppe auch viele hochspezialisierte Ingenieure mit, die das äußerst umfangreiche technische Equipement betreiben und dessen präzise Betriebsbereitschaft gewährleisten. Ich kann nicht recht glauben, daß im Zuge von 15.000 Untersuchungen der Meßergebnisse keiner dieser Experten einen technischen Fehler, wenn es einen gegeben hat, aufgespürt haben soll. Mir will nicht aus dem Sinn gehen, daß hier vielleicht eine Lösung bekanntgegeben wurde, die für die Forschungsgruppe leichter zu verkraften ist. Mit einem technischen Fehler kann man sich arrangieren. Das Eingeständnis einer wissenschaftlichen Fehldeutung der Ergebnisse präzise ausgeführter Messungen wäre ganz sicher ein herberer Gesichtsverlust. Wie auch immer, ich will darüber nicht in die Interna hineinspekulieren. Wichtig ist, daß am Ende eine Fehleinschätzung vom Tisch ist, mit der man nahe daran war, die gesamte Physik in Frage zu stellen.

25.02.2012
Dr. Manfred Pohl

Und auch so wird darüber berichtet - Im St. Galler Tagblatt vom 27.02.2012 liest man:

"Doch nicht schneller als das Licht

SCHIMPF & SCHANDE
Letzten September gingen Forscher des CERN mit der Meldung an die Öffentlichkeit, sie hätten Elementarteilchen durch die Erdkruste nach Italien geschickt - und die seien schneller gerast als das Licht. In der Elementarteilchenphysik hätte das ziemlich viel auf den Kopf gestellt. Denn, wie Einsteins Relativitätstheorie besagt: Nichts kann schneller sein als das Licht. Ein zweites Experiment schien das erste zu bestätigen. Nun aber meldet das CERN kleinlaut: Ein schlecht sitzender Stecker habe wohl zu einem Messfehler geführt. Tragisch ist das nicht, nur dumm. Hätten die CERN-Physiker ihr Experiment gründlich überprüft, wäre ihnen die Blamage erspart geblieben. Statt dessen wollten sie schnell sein. Zu schnell. (R. A.)"

Aber meine Damen und Herren... Muß man denn gleich so draufhauen? Ein bißchen Mäßigung stünde auch dem St. Galler Tagblatt gut zu Gesicht.

Ergänzung vom 18.06.2012

Im Mai 2012 wurden wie geplant vom CERN erneut CNGS-Neutrinos nach Gran Sasso gesendet. Die LNGS-Experimente OPERA, ICARUS, BOREXINO und LVD werteten die Neutrinoereignisse im Mai 2012 aus. Es ergab sich wie beim ICARUS-Resultat eine Übereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit. Dadurch wurde das ursprüngliche OPERA-Resultat endgültig widerlegt.

In einem Update vom 8. Juni 2012 teilt die Pressestelle des CERN mit:

"Neutrinos sent from CERN to Gran Sasso respect the cosmic speed limit

At the 25th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics in Kyoto today, CERN Research Director Sergio Bertolucci presented results on the time of flight of neutrinos from CERN to the INFN Gran Sasso Laboratory on behalf of four experiments situated at Gran Sasso. The four, Borexino, ICARUS, LVD and OPERA all measure a neutrino time of flight consistent with the speed of light. This is at odds with a measurement that the OPERA collaboration put up for scrutiny last September, indicating that the original OPERA measurement can be attributed to a faulty element of the experiment's fibre optic timing system.

"Although this result isn't as exciting as some would have liked," said Bertolucci, "it is what we all expected deep down. The story captured the public imagination, and has given people the opportunity to see the scientific method in action - an unexpected result was put up for scrutiny, thoroughly investigated and resolved in part thanks to collaboration between normally competing experiments. That's how science moves forward."

In another development reported in Kyoto, the OPERA experiment showed evidence for the appearance of a second tau-neutrino in the CERN myon-neutrino beam, this is an important step towards understanding the science of neutrino oscillations."

Übersetzung:

"Neutrinos, die vom CERN nach Gran Sasso gesendet wurden, sind in Übereinstimmung mit der kosmischen Grenzgeschwindigkeit

Auf der 25. Internationalen Konferenz zur Neutrino- und Astrophysik in Kyoto präsentierte heute CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci die Ergebnisse über die Flugzeit von Neutrinos vom CERN zum Gran-Sasso-Labor INFN im Namen von vier weiteren Experimenten in Gran Sasso. Die vier Experimente, Borexino, Icarus, LVD und Opera bestätigen die Übereinstimmung der Neutrino-Geschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit. Dies steht im Widerspruch zu einer Messung, die OPERA im vergangenen September veröffentlicht hat, was darauf hinweist, daß diese ursprüngliche OPERA-Messung einem fehlerhaften Element des Experiments im LWL-Timing-System zugeschrieben werden kann.

"Obwohl dieses Ergebnis nicht so spannend ist, wie einige es sich gewünscht hätten", sagte Bertolucci, "ist es, was wir alle tief im Innersten erwarteten. Die Mitteilung beflügelte die öffentliche Phantasie und hat den Menschen die Möglichkeit gegeben, eine wissenschaftliche Arbeit in Aktion zu sehen. Ein unerwartetes Ergebnis wurde auf den Prüfstand gestellt, gründlich untersucht und auch dank der Zusammenarbeit mit konkurrierenden Versuchen aufgelöst. Das ist es, was die Wissenschaft vorwärtsbewegt." In einer anderen Bewertung wurde in Kyoto berichtet, daß das OPERA-Experiment Beweise für das Auftreten eines zweiten Tau-Neutrinos im CERN Myon-Neutrino Strahl erbrachte, was ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Wissenschaft der Neutrino-Oszillationen ist."

Natürlich haben sich auch zu dieser Mitteilung verschiedene Presseorgane in mehr oder weniger sarkastischer Art und Weise geäußert. Da sich das etwa in der gleichen Art wie oben darstellt, sehe ich keine Notwendigkeit, dies hier ausführlicher wiederzugeben. Jedoch kommt mir in dem gesamten Ablauf ein Gedanke, den ich nicht unerwähnt lassen will.

Mir scheint, das Opera-Projekt wird allzu stark auf die Messung der Neutrinogeschwindigkeit reduziert. Warum muß man millionenschwere Experimente durchführen, um etwas nachzuweisen, was man auch durch logische Schlußfolgerung und einige mathematische Operationen erreichen kann? Sollte man sich nicht eher darauf einlassen, die vielmals bewiesene Tatsache der Konstanz der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit vorauszusetzen, um mit dem Opera-Experiment die Raumzeitkrümmung durch das Gravitationsfeld der Erde überprüfbar zu machen? Dazu gibt es nämlich bisher als einziges nur das Gravity-Probe-B-Experiment der NASA aus dem Jahre 2004. Opera könnte jenes ein zweites mal bestätigen, was sehr viel wertvoller wäre als das Herumdoktern an der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Zweimal habe ich dazu meine Haltung per Mail in streng sachlicher Weise an das CERN gesendet. Geantwortet hat mir niemand.

Verfolgt man nun interne Personalvorgänge in der OPERA-Gruppe, kann man den Eindruck nicht mehr verdrängen, daß die Panne doch schwerwiegend war. Die Süddeutsche Zeitung schreibt am 02.04.2012:

"Leitende Wissenschaftler treten wegen Neutrino-Daten zurück

... Zwei Mitglieder des Opera-Teams, die für die Bekanntgabe der ersten Ergebnisse stehen, haben nun Konsequenzen aus den Diskussionen gezogen: Der Sprecher des Opera-Teams, Antonio Ereditato von der Universität Bern hat am 29. März seinen Rücktritt eingereicht. Und einen Tag drauf tat es ihm Dario Autiero vom Institut für Nuklearphysik in Lyon als Projektkoordinator gleich, wie das Wissenschaftsblatt New Scientist berichtet. ..."

Sicher wird man die tatsächlichen Gründe für diese Vorgänge nicht in Erfahrung bringen können. Wie aber kann man mit der Tatsache umgehen, daß wegen eines technischen Fehlers zwei Wissenschaftler zurücktreten? Mir erscheint das sehr suspekt.

18.06.2012
Dr. Manfred Pohl