CERN erläutert das Neutrino-Experiment

In einem gut zweistündigen Webcast hat Dario Autiero, Physiker am Institut für Nuklearphysik in Lyon (CNRS), die Meßergebnisse und Meßverfahren des OPERA-Experiments ausführlich vorgestellt, die den Neutrinoteilchen eine Geschwindigkeit von etwa 0,025 Promille, also etwa 7,5 km/s über Lichtgeschwindigkeit bescheinigen. Wer die Veranstaltung verpasst hat, kann sich die Aufzeichnung des Webcasts ansehen. (Sollte dieser Server überlastet sein, empfiehlt das CERN groovygecko webcast oder elmundo.es webcast).

Die anwesenden Experten konnten zumindest auf den ersten Blick keine handwerklichen Fehler erkennen, weder bei der Zeitmessung, der Entfernungsmessung, noch bei der Analyse. Überall sei mit äußerster Sorgfalt vorgegangen worden, konzedierten sie.

Mögliche Störungen durch Jahreszeiten, Temperatur, Mondphasen, Supernovae, seismische Verschiebungen – alles Fragen, die Autiero gestellt wurden, die aber nach seinen Ausführungen berücksichtigt wurden oder die nicht ursächlich für dieses unerwartete Ergebnis sein können.

Die Zeitmessung erfolgt mit zwei über GPS synchronisierten Cäsium-Uhren, die von dem Schweizer Metrologie-Institut (METAS) geliefert und kalibriert wurden. Zusätzlich hat die PTB in Braunschweig das Messverfahren mit mobilen Messgeräten gegengeprüft und im Rahmen von 2,3 +-0,9 ns Meßgenauigkeit bestätigt. Die Entfernung zwischen dem tief im Berg gelegenen Detektor am Gran Sasso Tunnel und dem Messpunkt bei CERN in Genf von rund 730 km wurde mit GPS-Technik auf etwa 20 cm ausreichend genau bestimmt, obwohl man mit ein bisschen mehr Aufwand den Abstand noch genauer bestimmen könnte. Doch dazu müsste man eine Zeitlang den Autoverkehr im Gran-Sasso-Tunnel komplett stoppen, um die Entfernung zu dem GPS-Punkt am Rande des Autobahntunnels präziser vermessen zu können und das wollten die Wissenschaftler den italienischen Autofahrern nicht zumuten, jedenfalls noch nicht.

Bei den seit 2008 laufenden Messungen konnten die Wissenschaftler bei den täglichen Koordinatenmessungen eine leichte kontinuierliche Verschiebung um wenige Zentimeter pro Jahr und bei einem Erdbeben 2009 einen Sprung von 6 cm nach Norden und Osten ausmachen. Die 1400 Meter Felsen über dem Neutrino-Detektor schirmen 99,9 Prozent der kosmischen Strahlung ab, die sonst die Messungen überlagern würde.

Die Laufzeit eines einzelnen Neutrinos kann man allerdings nicht messen, sondern nur die Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem Bündel. Aus dem Vorbeschleuniger (SPS) des Large Hadron Colliders werden über Kicker-Magnete 10,4-µs-lange Protonenbündel mit 400 GeV ausgekoppelt. Ihnen aufmoduliert ist die Synchrotronfrequenz von 500 kHz und die Radiofrequenz von 200 MHz. Die Zeitstruktur der Bündel wird in einem Beam Current Transformer Detector (BCT) mit einem hochauflösenden Wave Form Digitizer (WFD) mit 1 Gigasamples/s bestimmt. Die Protonen knallen auf einen 2 m langen Graphitblock, wobei Mesonen (Pionen, Kaonen) produziert werden. Diese Mesonen zerfallen irgendwo im 1000 m langen Vakuumtunnel in Myonen, wobei Myon-Neutrinos entstehen. Den genauen Punkt weiß man nicht, da aber die Mesonen nahezu die gleiche Geschwindigkeit wie die Neutrinos besitzen, kann man den Unterschied vernachlässigen. Über einen 18-m-langen Kohlenstoff-Eisen-Block werden dann die verbleibenden schweren Teilchen abgefangen und die Myonen vermessen. Die Neutrinos wandern 730 km durch die Erdkruste, wandeln sich zwischenzeitlich zu Tau-Neutrinos und werden dann in dem 1500 Tonnen schweren Detektor aufgefangen. Etwa die Hälfte der detektierten Neutrinos reagiert mit dem Felsen des Berges (externe Events), der Rest mit dem Target (interne Events). Diese unterschiedlichen Events werden dann getrennt verrechnet.

Dabei ergibt sich letztlich eine Verschiebung der Wahrscheinlichkeitsverteilung gegenüber dem zu erwartenden Wert bei Lichtgeschwindigkeit von 60,7 ns +/-14,5 ns mit einer Signifikanz von 6,0.

Den Forschern ist dieses Ergebnis selbst nicht geheuer: "Wir versuchen keine theoretischen oder phänomenologischen Interpretationen", so ihr Schlusssatz. Aber CERN-Chef Heuer hat schon angekündigt, dass der bisherigen CERN-Seitenlinie namens OPERA nun weit mehr Bedeutung zukommen wird -- doch will man die Suche nach dem Higgschen-Teilchen dabei nicht vergessen.

Viele weitere Details findet man in der offiziellen Veröffentlichung (pdf). Angesichts der aufgelisteten Schar der Wissenschaftler müsste im Falle eines Falles der Nobelpreis auf über Hundert aufgeteilt werden. (as)