Opera-Experiment

Hat Albert Einstein sich geirrt?

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Nichts ist schneller als das Licht, glaubte der geniale Physiker. Nun haben Forscher eine Entdeckung gemacht, die einen Teil der Relativitätstheorie widerlegen könnte.

Genf/Hamburg. 60 Milliardstel Sekunden - mit diesem unfassbar kurzen Vorsprung kamen die Teilchen ins Ziel, deren Geschwindigkeit Physiker im sogenannten Opera-Experiment gemessen haben. Eine Kleinigkeit, könnte man meinen, doch die winzigen Partikel, sogenannte Neutrinos, flogen womöglich schneller als das Licht. Und das dürfte eigentlich nicht möglich sein.

Nach Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit die oberste Tempogrenze im Universum; sie konnte bisher in keinem Experiment durchbrochen werden. "Dieses Resultat ist eine komplette Überraschung. Es kann große Auswirkungen auf die geltende Physik haben", sagte Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern und Leiter des Opera-Projekts.

Was war geschehen? Eigentlich wollten die Forscher beobachten, wie sich Neutrinos verwandeln. Das sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse, die Materie meistens ungehindert durchdringen und nur selten mit ihr in Wechselwirkung treten. Es gibt drei Arten: Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrinos. Lange dachten Physiker, dass Neutrinos keine Masse besitzen, bis sie feststellten, dass Neutrinos sich auf einer langen Flugstrecke von einer Art in eine andere verwandeln können, was ohne Masse nicht ginge.

Laut Einstein gilt aber für alle Teilchen mit Masse, dass sie - falls sie durch beliebig hohe Energie beschleunigt würden - höchstens nahe an die Lichtgeschwindigkeit herankämen, diese aber nicht erreichen und keinesfalls überschreiten könnten. Nur die Photonen, die masselosen Lichtteilchen, fliegen mit Lichtgeschwindigkeit, also rund 300 000 Kilometer pro Sekunde - und zwar permanent.

Neutrinos kommen einerseits natürlich vor, als Teil einer gigantischen Schar von ultrakleinen Teilchen (darunter etwa Photonen, Heliumkerne und Protonen), die aus dem All unablässig auf die Erde prasseln. Solche Neutrinos wollen Forscher etwa im Projekt "IceCube" am Südpol erfassen, um den Kosmos besser zu verstehen. Neutrinos lassen sich aber auch künstlich herstellen, als Zerfallsprodukte anderer Teilchen. Eben dies taten die Physiker im Opera-Experiment.

In dem gigantischen Teilchenbeschleuniger des Forschungszentrums Cern bei Genf erzeugten sie über einen Zeitraum von drei Jahren wiederholt Neutrinostrahlen. Diese schickten sie vom Cern durch die Erde auf eine 730 Kilometer lange Reise zu einem Untergrund-Labor in den Bergen bei Rom.

Die Entfernung hatten die Physiker zuvor mit GPS-Satelliten bis auf 20 Zentimeter genau vermessen; die Flugzeit der Neutrinos - 2,4 Tausendstel Sekunden - erfassten die Forscher mit Atomuhren auf 10 Milliardstel Sekunden genau. Auf diese Weise beobachteten sie insgesamt 15 000 Neutrinos. Bei der Datenanalyse merkten sie: Die meisten Teilchen waren früher am Bestimmungsort aufgetaucht, als dies mit Lichtgeschwindigkeit zu erwarten wäre: 60 Milliardstel Sekunden früher.

Bahnt sich also eine Sensation an? Von einer solchen wurde gesprochen, als Anfang April Physiker des Labors Fermilab bei Chicago bekannt gaben, sie hätten bei einem Experiment mit dem Teilchenbeschleuniger Tevatron Hinweise auf neue Elementarteilchen, womöglich gar auf eine noch unbekannte fünfte Grundkraft der Physik gefunden. Eine andere Forschergruppe konnten die Ergebnisse allerdings nicht wiederholen. Die Daten von Fermilab zeigten nur 3,2 Standardabweichungen - so bezeichnen Physiker das statistische Maß für die Abweichung von einer Norm. Erst bei fünf Standardabweichungen sprechen sie von einer neuen Entdeckung. Das Opera-Experiment zeigt bisher sechs Standardabweichungen - die Ergebnisse sind also tatsächlich vielversprechend.

Sowohl die am Experiment beteiligten Physiker als auch ihre Kollegen am Cern und Forscher an anderen Instituten - sie alle schwanken nun zwischen Euphorie und Skepsis. "Obwohl wir eine niedrige systematische Unsicherheit und eine hohe statistische Genauigkeit erreicht haben und großes Vertrauen in unsere Resultate haben, begrüßen wir es, sie mit denen anderer Experimente zu vergleichen", sagte Opera-Physiker Dario Autiero. "Wir müssen sicher sein, dass es keine anderen, banaleren Erklärungen gibt. Das erfordert unabhängige Messungen", sagte Cern-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci. Möglich sei zum Beispiel, dass ein unentdeckter systematischer Fehler die Abweichung der Messwerte verursacht habe.

Der Hamburger Physiker Professor Bernd Kniehl sagt, die Opera-Forscher hätten sehr sorgfältig gemessen. "Sollte sich die Messung bestätigen, würde das unser Weltbild verändern. Wir müssten Einsteins Relativitätstheorie erweitern, um die Geschwindigkeit der Neutrinos zu erklären - und wir müssten Lehrbücher neu schreiben." Doch auch Kniehl betont, dass ein zweites, unabhängiges Team die Ergebnisse aus Genf reproduzieren müsse.

Dazu sind nur zwei Labors in der Lage: das Fermilab bei Chicago, von wo Neutrinos nach Minnesota geschickt werden, und eine Einrichtung in Japan, die wegen des Tsunamis im Moment aber nicht im Betrieb ist. Am Fermilab hatten Physiker bereits 2007 ähnliche Ergebnisse erzielt wie das Opera-Experiment, die Daten zeigten damals aber eine zu geringe Abweichung von der Erwartung. Nun wollen die US-Forscher die Tests ihrer Schweizer Kollegen wiederholen.

Wird das Cern am Ende recht behalten? "Es ist gefährlich, Wetten gegen Einstein abzugeben", sagte Fermilab-Sprecher Rob Plunkett. "Einstein ist immer und immer wieder auf die Probe gestellt worden."

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