OPERA och de alltför snabba neutrinerna

Internet svämmar över av rykten om neutriner som far fram snabbare än ljuset. Vad handlar det om egentligen? Ett mätresultat där neutriner rört sig en sträcka om 730 km 60 nanosekunder snabbare än om de färdats lika snabbt som ljuset gör i vakuum. Jag försöker reda ut begreppen.

Vad vill man mäta och varför?
Neutriner är en sorts partiklar som länge antogs vara helt utan massa. Det finns tre olika slags neutriner, som hör ihop med elektronen respektive dess tyngre kusiner myonen och tauonen. När man upptäckte att neutriner kan omvandlas från en sort till en annan (neutrinooscillationer) förstod man (detaljerna hoppar jag över här) att partiklarna måste ha massa om än väldigt liten. Att mäta den här massan är förstås väldigt svårt. Det finns en övre gräns för hur mycket massa de tre neutrinoslagen kan ha tillsammans: några elektronvolt, alltså mindre än 1/100000 (en hundratusendel) av elektronens massa. Man vet heller inte vilken av dem som är tyngst.

En masslös partikel rör sig med ljusets hastighet (i vakuum) c. Eftersom de olika neutrinoslagen ska ha olika massa borde man kunna mäta skillnaden i deras hastigheter, och det är anledningen till att man velat försöka mäta detta. Den förväntade avvikelsen är någonstans i närheten av 10^-19, alltså nästan obegripligt litet. Mätosäkerheterna är enorma i sammanhanget. För neutriner av rätt låga energier från supernovan 1987A kunde man sätta en gräns för |v-c|/c < 2×10^-9.

Hur mäter man det här?
Det experiment som är i rampljuset nu heter OPERA. Man har skickat en stråle av neutriner 730 km, uppmätt med en precision på 20 cm, från CERN i Schweiz till OPERA-instrumentet i ett laboratorium under bergsmassivet Gran Sasso i Italien.

Neutrinerna produceras genom att man skickar en kort puls av protoner med hög energi mot ett strålmål av grafit. Då bildas mesoner, laddade partiklar som man kan fokusera i en riktning innan de sönderfaller till en myon och en myonneutrino vardera. Myonerna är laddade och stoppas i materia, men neutrinerna fortsätter genom jorden till mottagardetektorn, där somliga av dem växelverkar och registreras.

Man kan förstås inte mäta tiden för individuella partiklar, det finns inget sätt att sätta en start- och en stoppsignal för en specifik neutrino. Istället mäter man alla tider i en partikelpuls, och gör en tidsfördelning för partikelproduktionen och en motsvarande fördelning i detektorn. De här fördelningarna jämförs och analyseras med en statistisk metod.

Totalt har man registrerat ungefär 16000 neutriner i det här tidsmätningsförsöket. Man har också använt särskilda nya mätningar av avståndet, och tidsmätning med GPS. På så vis har man kunnat minska de systematiska osäkerheterna i mätningen.

Vad innebär resultatet?
Tja, om partiklarna verkligen rör sig snabbaren än den teoretiskt högsta möjligha hastigheten måste vi förstås tänka igenom en del grundläggande fysik som är väldigt väl testad. Det gör ju att fysiker väljer att vara väldigt försiktiga med att fästa alltför stor vikt vid ett enda mätresultat.

Resultatet kan skrivas som (v-c)/c ~ 2.5×10^-5, vilket bortsett från att variationen går åt fel håll (alltså att hastigheten var större än c) är oerhört mycket större än förväntat.

Så här skriver man i själva artikeln där resultatet redovisas (min översättning):

Trots den stora statistiska signifikansen av det mätresultat vi rapporterar här och analysens stabilitet motiverar den potentiellt stora betydelsen av resultatet fortsatta studier för att undersöka möjliga och ännu okända systematiska effekter som kan förklara den observerade anomalin. Vi avstår avsiktligt från alla teoretiska eller fenomenologiska tolkningar av resultaten.

Läs mer
DN rapporterar och SvD rapporterar likadant — tråkigt att de stora tidningarna bara kopierar TT utan att kolla eller lägga till något själva, men de har väl varken resurser eller utrymme för att bevaka sånt här.
Vetenskapsradion rapporterar
Faster-than-light travel discovered? Slow down, folks
Phil Plait på Bad Astronomy reder ut begreppen, och diskuterar supernovaresultatet jag nämnde ovan.
Neutrinos sind möglicherweise schneller als das Licht
Notis på Welt der Physik, som ska uppdateras ikväll efter seminariet på CERN
CERNs seminarium om resultatet
Lägg märke till länken till live webbcast av seminariet (klockan 16 idag)
Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam
Den vetenskapliga artikeln (källan till informationen i detta inlägg)

Och slutligen: XKCD

Annons