Überlichtschnelle Neutrinos verlieren Energie

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Gedanken eines Experimentalphysikers
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Als ich meinen Beitrag zum Thema Tachyonen schrieb, habe ich einen wichtigen Aspekt beiseite gelassen. Das Experiment CNGS ist nicht der einzige Hinweis auf die Geschwindigkeit von Neutrinos. Die Untersuchung einer Supernova 1987 lieferte eine obere Grenze für die Geschwindigkeit von Neutrinos, die eindeutig unterhalb des Wertes liegen, den die Kollaboration um CERN gemeldet hat. Die Neutrinos in solch einer Supernova haben eine deutlich niedrigere Energie als die mutmaßlich überlichtschnellen. Wenn sich das experimentell bestätigen ließe, dann wären Neutrinos also keine Tachyonen, denn ihre Geschwindigkeit nimmt mit wachsender Energie zu und nicht ab wie bei Tachyonen.

Aus der Existenz von Neutrinos, deren Geschwindigkeit bei hohen Energien über die Lichtgeschwindigkeit hinausgeht, folgt aber, dass diese gar nicht mit ihrer vollen Energie am Detektor in Italien angekommen sein dürften. Darauf wiesen die theoretischen Physiker Andrew Cohen und Sheldon Glashow in einer Veröffentlichung vom 29. September hin und Matt Strassler war so freundlich, das Argument auf seinem Blog genauer zu erklären.

Das Argument lässt sich verstehen, wenn man sich fragt, warum zum Beispiel ein Myon nach einiger Zeit in ein Elektron und ein Neutrino-Antineutrinopaar zerfällt, das Elektron aber stabil ist. Dem Elektron fehlt die Energie zu zerfallen. Es ist das leichteste seiner Art und existiert damit (nach allem was wir wissen) unbegrenzt lange. Neutrinos sind ebenfalls stabil weil sie eine sehr kleine Masse haben und es einfach keine leichteren Teilchen gibt, in die sie zerfallen könnten. Dieses Argument stimmt, aber es ist nur ein Teil der Wahrheit. Man kann Elektronen so schnell machen, dass in einem Teilchendetektor aus dem Elektron ein Paar schwerere Elementarteilchen hervorgehen. Solch ein Prozess der Paarbildung ist nur in Materie möglich, wo Streuung an ruhenden oder zumindest viel langsameren Teilchen stattfinden kann.

Grafik von Matt Strassler zu Neutrinogeschwindigkeiten

Übersichtsgrafik von Matt Strassler zu den Neutrinogeschwindigkeiten, die in verschiedenen Experimenten gemessen wurden. Sowohl bei höheren als auch bei nidrigeren Neutrinoenergien liegen Messungen vor, die nicht auf überlichtschnelle Neutrinos hinweisen. Grafik übernommen von Matt Strasslers Blog.

Im Vakuum ist Paarbildung durch ein einzelnes schnelles Elektron nicht möglich, weil gleichzeitig mit der Energieerhaltung auch die Erhaltung der Bewegungsmenge, des Impulses gefordert werden muss. Schließlich müssen die erzeugten Teilchen auch davonfliegen können und nehmen damit neben Energie auch Impuls des erzeugenden Teilchens auf. Da Impuls und Energie eines Teilchens aber durch die in meinem letzten Beitrag angegebenen Formeln miteinander in Verbindung stehen, reicht der Impuls, den das Teilchen bei gegebener Energieabgabe verliert, nicht aus um ein neues Teilchenpaar zu erzeugen.

Noch einfacher kann man einsehen, dass ein einzelnes schnelles Elektron keine schweren Teilchen erzeugen kann, wenn man den Grundsatz der Relativität zugrunde legt. Die Relativitätstheorie besagt, dass alles, was in einem schnell bewegten Bezugssystem passieren kann, auch in Ruhe passieren kann. Man kann für jedes bewegte Elektron ein Koordinatensystem bilden, in dem dieses Teilchen ruht. In diesem System hat das Elektron seine normale Ruheenergie und kann offensichtlich nicht spontan in schwerere Teilchen zerfallen. Also kann es das bewegte Elektron auch nicht.

Die Argumentation über die Relativität bricht zusammen, wenn Teilchen schneller als Licht werden können und somit das Relativitätsprinzip verletzen. Diese Teilchen haben notwendig eine andere Geschwindigkeitsabhändigkeit von Energie und Impuls. Schließlich ist es diese Relation, die gewöhnliche Teilchen davon abhält überlichtschnell zu werden.

Cohen und Glashow kennen die Schwache Wechselwirkung gut genug, um die Paarerzeugung von überlichtschnellen Neutrinos abschätzen zu können. Sie haben errechnet, dass Teilchen mit der im OPERA-Experiment gemessenen Geschwindigkeit ab einer Energie von 140 Megaelektronenvolt in der Lage sind, spontan ein Paar von Elektron und Positron abzugeben und dabei drei Viertel ihrer Energie verlieren würden. Sie haben zudem ausgerechnet, wie schnell dieser schwache Prozess zum Energieverlust führen würde. Das Ergebnis ist, dass fast alle Neutrinos auf der 730km langen Strecke zwischen der Erzeugung beim CERN und der Messung im Gran-Sasso-Massiv einen Großteil ihrer Energie verloren haben müssten. Dort wurden aber unvermindert hohe Neutrinoenergien gemessen. Es ist also etwas faul an diesem Experiment.

Müssen wir nun die Messung verwerfen, weil Theoretiker errechnet haben, dass sie nicht stimmen können? Natürlich nicht. Die Aufgabe von Physik ist es, beobachtete Phänomene zu erklären, nicht auszufiltern welche Beobachtungen gemacht werden dürfen und welche nicht. Der bekannte Physiker Lee Smolin macht in den Kommentaren von Matt Strasslers Blog darauf aufmerksam, dass Cohen und Glashows Argument die Annahme enthält, dass die Überlichtgeschwindigkeit tatsächlich das Relativitätsprinzip verletzt. Man könnte sich eine kompliziertere Theorie denken, die unterschiedliche Grenzgeschwindigkeiten für unterschiedliche Teilchen zulässt, ohne dieses Prinzip zu verletzen. Solch eine Theorie wäre durch diese Argumentation nicht abgedeckt.

Das Ergebnis zu schneller Neutrinos im OPERA-Experiment stellt also Theoretiker und Experimentatoren vor einem Rätsel. Für mich stellt sich das noch immer so dar, als müsse es einen Fehler in der experimentellen Bestimmung der Geschwindigkeit geben. Eine einfache Verletzung der Einsteinschen Relativität scheint durch das hier vorgestellte Argument ausgeschlossen. Die Lösung ist entweder ganz einfach (Messfehler) oder deutlich komplizierter, denn eine Theorie, die Überlichtgeschwindigkeit ohne Energieverlust erklären könnte, existiert bisher nicht.

Anmerkung:
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Joachim Schulz

Veröffentlicht von

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Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

6 Kommentare

  1. Danke für diesen Beitrag und den Hinweis auf das arxiv Preprint. Das tönt doch sehr vernünftig, was Cohen and Glashow dazu vorbringen.

    Betreffend Lee Smolin, “Man könnte sich eine kompliziertere Theorie denken, die unterschiedliche Grenzgeschwindigkeiten für unterschiedliche Teilchen zulässt, ohne dieses Prinzip zu verletzen. Solch eine Theorie wäre durch diese Argumentation nicht abgedeckt.

    Smolin denkt bei einer solchen Theorie offensichtlich an seine LQG bzw. an seinen Co-Autor Amelino-Camelia und dessen “doubly special relativity”. Dort wäre die Lichtgeschwindigkeit in vacuo frequenzabhängig, was freilich keinerlei experimentelle Grundlage hat. In seinem Buch, “The Trouble with Physics”, hat Smolin darüber auch für Laien verständlich geschrieben. Jetzt nutzt er wohl die Gelegenheit, auch ein wenig für seine Sache zu trommeln.

  2. @Chrys

    Ja, Smolin denkt sicher an die Loop-Quantengravitation (LQG). Aber er ist auch so ehrlich anzugeben, dass das CERN-Ergebnis eigentlich nicht in diese Richtung deutet. Erstens, weil die Energien viel zu niedrig sind. Smolin würde Überlichtgeschwindigkeit erst bei Wellenlängen in der Größenordnung der Plancklänge erwarten. Zweitens weil auch die LQG keine unterschiedlichen Grenzgeschwindigkeiten für verschiedene Teilchenarten erklären kann.

  3. Kann es nicht sein, dass es eine Frage unserer Wahrnehmung ist und dass wir die überlichtschnellen Teilchen nicht richtig einordnen können?

    Ähnlich wie bei Flugzeugen, die schneller fliegen als der Schall und ihre eigene Geräuschkulisse überholen, bewegen sich diese Teilchen schneller als das Licht und überholen somit ihre eigene optische Abbildung. Man würde ein superluminares Teilchen also doppelt wahrnehmen, so wie man den Knall eines Überschallfluges erst hört wenn das Flugzeug schon vorbeigeflogen.

    Denn wenn es so wäre, dann wäre es auch eine Erklärung für unsere Wahrnehmung der Realität mit Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft.

    Wir könnten denken, weil wir nicht richtig sehen.

  4. Doppelsicht

    Wie wir in diesem Experiment sehen, ist es gar nicht schwer, Überlichgeschwindigkeit wahrzunehmen. Eine Geschwindigkeit misst man, indem man die zurückgelegte Strecke und die dafür benötigte Zeit misst. Das Verhältnis Strecke zu Zeit ist die Geschwindigkeit.

    Dafür, dass man die Neutrinos hier doppelt sieht, gibt es einfach keine Anzeichen. Ich wüsste auch nicht, warum das der Fall sein sollte. Auch ein Überschallflugzeug hört man ja nicht an zwei Orten zugleich.

  5. Überlichtgeschwindigkeit

    Angeregt durch die Lektüre des Artikels und der Kommentare möchte ich die Diskussion durch folgendes Beispiel anheizen:
    Bekanntlich lassen sich die Geschwindigkeiten v1 und v2 (gemessen in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit c) zweier Teilchen gemäß der Formel
    v = (v1 + v2)/(1+v1*v2)
    addieren. Solange v1 und v2 kleiner 1 sind, ist die Welt in Ordnung. Die Summe der Geschwindigkeiten ist ebenfalls kleiner 1 (also c). Was aber, wenn v1 und v2 beide größer als 1 sind? Dann ergibt sich eine Geschwindigkeitssumme, die kleiner 1 ist. Für v1 = v2 = 2 würde das zu v = 0,8 führen. Bei der Addition zweier überlichtschneller Teilchen hätte man dann eine “normale” Geschwindigkeit!? Man nehme also zwei Tachyonen, lasse sie miteinander wechselwirken und – schwupps – hat man ein normales Teilchen:-) Schöne neue Physik!

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