Anfang dieses Jahres gab ein internationales Wissenschaftlerteam bekannt, dass sie Neutrinos gefunden hatten - winzige Teilchen mit einer ebenso winzigen Masse, die nicht Null ist -, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Ein Physiker, der den Anruf entgegennahm, war Dr. Ramanath Cowsik. Er fand einen potenziell tödlichen Fehler in dem Experiment, der die Existenz schneller als leichter Neutrinos in Frage stellte.
Superluminale (schneller als Licht) Neutrinos waren das Ergebnis des OPERA-Experiments, einer Zusammenarbeit zwischen dem CERN-Physiklabor in Genf (Schweiz) und dem Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Gran Sasso (Italien).
Bei dem Experiment wurden Neutrinos zeitlich festgelegt, als sie 730 Kilometer (ungefähr 450 Meilen) durch die Erde von ihrem Ursprungspunkt am CERN zu einem Detektor in Gran Sasso fuhren. Das Team war schockiert, als es feststellte, dass die Neutrinos 60 Nanosekunden früher bei Gran Sasso ankamen, als wenn sie mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unterwegs wären. Kurz gesagt, sie schienen superluminal zu sein.
Dieses Ergebnis verursachte entweder ein Problem für die Physik oder einen Durchbruch. Nach Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie kann jedes Teilchen mit Masse der Lichtgeschwindigkeit nahe kommen, diese aber nicht erreichen. Da Neutrinos Masse haben, sollten superluminale Neutrinos nicht existieren. Aber irgendwie haben sie es getan.
Aber Cowsik stellte die Entstehung der Neutrinos in Frage. Die OPERA-Experimente erzeugten Neutrinos, indem Protonen gegen ein stationäres Ziel geschlagen wurden. Dies erzeugte einen Puls von Pionen, instabilen Teilchen, die magnetisch in einen Tunnel fokussiert wurden, wo sie in Neutrinos und Myonen (ein weiteres winziges Elementarteilchen) zerfielen. Die Myonen gingen nie weiter als bis zum Tunnel, aber die Neutrinos, die durch Materie gleiten können, wie ein Geist durch eine Wand geht, gingen weiter in Richtung Gran Sasso.
Cowsiks und sein Team haben sich diesen ersten Schritt des OPERA-Experiments genau angesehen. Sie untersuchten, ob "Pionzerfälle superluminale Neutrinos produzieren würden, vorausgesetzt, Energie und Impuls bleiben erhalten", sagte er. Die OPERA-Neutrinos hatten viel Energie, aber nur sehr wenig Masse. Die Frage war also, ob sie sich wirklich schneller als Licht bewegen konnten.
Was Cowsik und sein Team herausfanden, war, dass wenn Neutrinos, die aus einem Pionenzerfall hergestellt wurden, schneller als Licht wandern würden, die Lebensdauer der Pionen länger werden würde und jedes Neutrino einen kleineren Teil der Energie tragen würde, die es mit dem Myon teilt. Im gegenwärtigen Rahmen der Physik wäre es sehr schwierig, superluminale Neutrinos herzustellen. "Außerdem", erklärt Cowsik, "würden diese Schwierigkeiten nur zunehmen, wenn die Pion-Energie zunimmt.
Es gibt eine experimentelle Überprüfung von Cowsiks theoretischer Schlussfolgerung. Die Methode des CERN zur Herstellung von Neutrinos wird auf natürliche Weise dupliziert, wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen. Ein Observatorium namens IceCube wird eingerichtet, um diese natürlich vorkommenden Neutrinos in der Antarktis zu beobachten. Wenn Neutrinos mit anderen Partikeln kollidieren, erzeugen sie Myonen, die Spuren von Lichtblitzen hinterlassen, wenn sie durch einen fast 2,5 Kilometer dicken Block aus klarem Eis laufen.
IceCube hat Neutrinos entdeckt, deren Energie 10.000-mal höher ist als die im Rahmen des OPERA-Experiments erzeugten, was Cowsik zu dem Schluss führt, dass ihre Elternpionen entsprechend hohe Energieniveaus aufweisen müssen. Die Berechnungen seines Teams, die auf Gesetzen zur Erhaltung von Energie und Impuls basierten, ergaben, dass die Lebensdauer dieser Pionen zu lang sein sollte, um in superluminale Neutrinos zu zerfallen.
Wie Cowsik erklärt, deutet der Nachweis von hochenergetischen Neutrinos durch IceCube darauf hin, dass Pionen nach den üblichen Vorstellungen der Physik zerfallen, die Neutrinos sich jedoch nur der Lichtgeschwindigkeit nähern. sie werden es niemals überschreiten.
Quelle: Pions wollen nicht in schnellere Lichtneutrinos zerfallen
