211service.com
Hurtigere end lyset Neutrino-puslespil hævdes løst af speciel relativitet
Det er nu tre uger siden, at den ekstraordinære nyhed om, at neutrinoer, der rejser mellem Frankrig og Italien, var blevet uret, der bevægede sig hurtigere end lyset. Eksperimentet, kendt som OPERA, fandt ud af, at partiklerne produceret ved CERN nær Genève ankom til Gran Sasso Laboratory i Italien omkring 60 nanosekunder tidligere end lysets hastighed tillader.
Resultatet har sendt et bølge af begejstring gennem fysiksamfundet. Siden da er mere end 80 artikler dukket op på arXiv, der forsøgte at afsløre eller forklare effekten. Det er dog rimeligt at sige, at den generelle følelse er, at OPERA-holdet må have overset noget.
I dag fremfører Ronald van Elburg ved universitetet i Groningen i Holland et overbevisende argument for, at han har fundet fejlen.
Lad os først gennemgå eksperimentet, som er enkelt i konceptet: en måling af afstand og tid.
Afstanden er ligetil. Placeringen af neutrinoproduktion ved CERN er forholdsvis let at måle ved hjælp af GPS. Placeringen af Gran Sasso-laboratoriet er sværere at fastlægge, fordi den ligger under et kilometer højt bjerg. Ikke desto mindre siger OPERA-teamet, at det har nået afstanden på 730 km til inden for 20 cm eller deromkring.
Tidspunktet for neutrinoflyvning er sværere at måle. OPERA-holdet siger, at det nøjagtigt kan måle det øjeblik, hvor neutrinoerne skabes, og det øjeblik, de detekteres ved hjælp af ure i hver ende.
Men den vanskelige del er at holde urene i begge ender nøjagtigt synkroniserede. Holdet gør dette ved hjælp af GPS-satellitter, som hver udsender et meget nøjagtigt tidssignal fra kredsløb omkring 20.000 km over hovedet. Det introducerer en række ekstra komplikationer, som holdet skal tage højde for, såsom tidspunktet for GPS-signalernes rejse til jorden.
Men van Elburg siger, at der er én effekt, som OPERA-holdet ser ud til at have overset: GPS-urenes relativistiske bevægelse.
Det er let at tro, at satellitternes bevægelse er irrelevant. Når alt kommer til alt, skal radiobølgerne, der bærer tidssignalet, rejse med lysets hastighed, uanset satellitternes hastighed.
Men der er en ekstra subtilitet. Selvom lysets hastighed ikke afhænger af referencerammen, gør tidspunktet for flyvningen det. I dette tilfælde er der to referencerammer: eksperimentet på jorden og urene i kredsløb. Hvis disse bevæger sig i forhold til hinanden, skal dette medregnes.
Så hvad er satellitternes bevægelse i forhold til OPERA-eksperimentet? Disse sonder kredser fra vest til øst i et fly, der hælder 55 grader til ækvator. Det er væsentligt, at det er nogenlunde på linje med neutrino flyvevejen. Deres relative bevægelse er så let at beregne.
Så set fra et urs synspunkt om bord på en GPS-satellit, ændrer positionerne af neutrinokilden og detektoren sig. Fra urets perspektiv bevæger detektoren sig mod kilden, og derfor er den afstand, som partiklerne tilbagelægger, som observeret fra uret, kortere, siger van Elburg.
Med dette mener han kortere end afstanden målt i referencerammen på jorden.
OPERA-holdet overser dette, fordi det tænker på urene som på jorden, der ikke er i kredsløb.
Hvor stor er denne effekt? Van Elburg beregner, at det skulle få neutrinoerne til at ankomme 32 nanosekunder for tidligt. Men dette skal fordobles, fordi den samme fejl opstår i hver ende af eksperimentet. Så den samlede korrektion er 64 nanosekunder, næsten præcis hvad OPERA-holdet observerer.
Det er imponerende, men det betyder ikke, at problemet er gjort og støvet. Peer review er en væsentlig del af den videnskabelige proces, og dette argument skal holde sig under kontrol fra samfundet som helhed og OPERA-teamet i særdeleshed.
Hvis det holder sig, vil denne episode være fyldt med ironi. Langt fra at bryde Einsteins teori om relativt, vil den hurtigere end lys-måling vise sig at være endnu en bekræftelse af det.
Ref: arxiv.org/abs/1110.2685 : Flyvetider mellem en kilde og en detektor observeret fra en GPS-satellit.