Beobachtungstipp im Juni 2012

Und Einstein hatte doch Recht... Die Liste der Einstein-Widerleger ist lang. Neulich stellte sich eine große wissenschaftliche Institution in diese Reihe - die Wissenschaftler des CERNs. Und auch sie scheiterten. Aber mal von vorne: Bei einer Pressekonferenz am 23. September 2011 gaben die Physiker des CERNs, die an dem Experiment mit dem wohlklingenden Namen OPERA beteiligt sind, bekannt, dass sie überlichtschnelle Neutrinos gemessen haben. Das hat in der Fachwelt für großes Interesse gesorgt. Die Forscher selbst waren zu jeder Zeit skeptisch und suchten nach Fehlerquellen in ihrem Experiment. Die umfangreiche Fehlersuche führte zunächst zu keinem Ergebnis, so dass man mit der Entdeckung der überlichtschnellen Neutrinos an die Öffentlichkeit ging.

Damit widersprachen sie dem Grundsatzgedanken der speziellen Relativitätstheorie, nach der die Lichtgeschwindigkeit die höchstzulässige Geschwindigkeit im Universum ist - abgesehen von Quantentunnelexperimenten, die zwar zu Überlichtgeschwindigkeiten führen, aber mit Quanteneffekten zu erklären sind (die klassische Relativitätstheorie kann Quanteneffekte nicht erklären).

Also, was haben die Physiker des OPERA-Experiments gemacht? Im Teilchenbeschleuniger SPS des CERNs werden schnelle Protonen, also Wasserstoffkerne, auf ein Graphittarget geschossen. Dabei entsteht unter anderem ein feiner Strahl von Neutrinos, die nach Italien ins Gran Sasso-Labor geleitet werden. Tief im Innern des Bergmassivs befindet sich der Detektor für die Neutrinos, die dann eine Reise von 730km hinter sich haben.

Für Neutrinos sind Teilchen der normalen Materie kein Hindernis. Wie der Name es schon ausdrückt, sind sie recht neutral oder anders ausgedrückt, die Welt um sie herum ist ihnen ziemlich egal. Wir werden sekündlich von Milliarden von Neutrinos durchwandert und kaum ein Neutrino nimmt uns als Hindernis war. Wegen dieser Eigenschaften sind Neutrinos schwer nachzuweisen und erst in den 30'er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckt worden. Zunächst waren es nur theoretische Teilchen, die aber später im Experiment nachgewiesen wurden. Heute spielen Neutrinos in der Astrophysik und Hochenergiephysik eine große Rolle. Der Nachweis ist aber immer noch schwierig. Es gibt mehrere Labore auf der Erde, die nur für den Nachweis von Neutrinos hergerichtet worden sind. Diese Labore sind gut abgeschirmt gegen Fremdstrahlung, oftmals tief unterirdisch oder in den Tiefen von Seen, wie dem Baikalsee, versenkt.

Neutrino-Physik gehört schon zu den Spitzenleistungen moderner Forschung. Das sollte man sich immer vor Augen halten. Die Physiker des CERN erzeugten also einen Neutrinostrahl und sendeten diesen zum Gan Sasso-Massiv in Italien. Der Versuch wurde einige Male wiederholt und abermals schienen die Neutrinos früher anzukommen als sie eigentlich durften. Die Zeitdifferenz betrug ca. 60 Nanosekunden, eine Geschwindigkeit, die die der Lichtgeschwindigkeit um ca 2,5% überschreitet.

Es erfolgte zunächst eine lange Fehlersuche, die keinen Erfolg hatte. So entschloss man sich, vermutlich mit großen Bauchschmerzen, an die Öffentlichkeit zu gehen. Und die Kritik lies auch nicht lange auf sich warten. Bisherige Beobachtungen deuteten niemals auf überlichtschnelle Neutrinos hin. Im Jahr 1987 zum Beispiel beobachteten Astronomen eine Supernovaexplosion in der Magellanschen Wolke. Diese Supernova in nächster Nachbarschaft gehört zu den bestuntersuchten und spektakulärsten Ereignissen der Neuzeit der Astronomieforschung. Erstmals gelang es auch, Neutrinos dieser Supernova einzufangen. Diese Neutrinos wurden zeitgleich mit dem Ausbruch der Supernova detektiert. Überlichtschnelle Neutrinos wären über 3.000 Jahre früher angekommen. Diese Beobachtung zeigt eigentlich, dass die Einsteinwelt in Ordnung ist. Die beobachtende Astronomie konnte die Ergebnisse des OPERA-Experiments also nicht bestätigen.

Im Frühjahr 2012 kam dann die große Wende und im März wurde von fehlerhaften Messungen durch ein lockeres Kabel gesprochen. Kritik an der Informationspolitik des CERN blieb nicht aus. Aber was hatte es mit dem lockeren Kabel auf sich?

Messungen im Bereich von Nanosekunden sind sehr aufwändig und nicht so einfach mit einer normalen Stoppuhr zu machen. Hinzu kommt in diesem Experiment die räumliche Entfernung. Zur Synchronisation der Hightech-Stoppuhren wird das Signal von GPS-Satelliten genutzt. Die erlauben eine sehr genaue Zeitmessung. Das Labor des Gran Sasso-Massivs liegt tief unterirdisch. Es muss ja weitgehend von Fremdstrahlung abgeschirmt sein. Ein GPS-Empfänger arbeitet unter diesen Bedingungen nicht. Das GPS-Signal wird also außerhalb des Labors empfangen und über ein Kabel eingespeist. Und genau da lag die Fehlerquelle. Dieses Kabel war nicht richtig befestigt und der lose Kontakt sorgte für eine Zeitverzögerung bei der Messung. Die Neutrinos kamen scheinbar zu früh. - Kleiner Fehler, große Ursache!

Somit wurde die Sensation zu einer Peinlichkeit, die sogar personelle Konsequenzen im CERN hatte. Das übereifrige Vorgehen der OPERA-Forscher beschädigte die Glaubwürdigkeit der Wissenschaftler, so dass zwei Forscher des Experiments zurücktraten.

Als Außenstehender finde ich die Reaktion ein wenig übertrieben. Die Experimente sind so komplex, dass es schon ein Wunder ist, dass die Fehlersuche erfolgreich war und ich meinen Hut vor den Leistungen der Wissenschaftler ziehe. Außerdem werfen solche Fehler auch philosophische Fragen auf, die den Umgang mit Fehlern bei wissenschaftlichen Experimenten berühren.

Es ist ja auch ein spannendes Stück Wissenschaftsgeschichte und der Schritt in die Öffentlichkeit ist meines Erachtens ein guter Schritt, den Elfenbeinturm des CERNs zu verlassen und die breite Masse an diesen spannenden Themen teilhaben zu lassen. Fehler zu begehen ist menschlich und sie sich einzugestehen ist ein Zeichen von Größe. Schade, dass die beiden Wissenschaftler offensichtlich den Druck der Kritik nicht standhalten konnten. Einstein hatte damals seine "Kosmologische Konstante" als größte Eselei seines Lebens bezeichnet. Das hat seinem Image als Wissenschaftler keinen Schaden zugefügt. Im Gegenteil, noch heute wird über die "Kosmologische Konstante" diskutiert, auch wenn sie heute in der Form der Dunklen Energie in den Köpfen der Wissenschafter herumgeistert...

In diesem Sinne,
Christian Overhaus

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