19/10/2011 - Neutrinos und Relativität

Menéame

Die jüngsten Ergebnisse des OPERA-Experiments würden darauf hinweisen, dass Neutrinos mit einer höheren Geschwindigkeit als Licht in der Leere reisen können, haben die Welt der Physik erschüttert. Dies bedeutet (wenn zutreffend), dass Einsteins spezielle Relativitätstheorie nicht absolut wahr ist und dass daher einer der Postulate, auf denen er beruht, nicht richtig ist.

Aber bevor wir weitermachen, ist es nicht mehr zu warnen, wie Sie bereits genug autorisierte Stimmen gemacht haben, dass es vielleicht einige Experimentalfehler geben könnte, systematisch, unbemerkt, und dass diese Ergebnisse daher warten müssen, bis sie durch andere Experimente bestätigt werden (ein Amerikaner und ein Japaner scheinen bereits im Projekt zu sein), bevor sie ihre revolutionären Implikationen annehmen.

Neutrinos sind die seltsamsten Elementarteilchen, zumindest die experimentell entdeckten und nicht nur postulierten Teilchen. Sie werden in drei verschiedenen Arten präsentiert, die im wissenschaftlichen Jargon als "Geschmack" bezeichnet werden. Flavour, auf Englisch): Elektronische Neutrino (oder Elektron), monische Neutrino (oder der Muon) und Tauon-Neulin (oder Tauon).

El Elektron (e-), Muon (μ-) Tauon (τ-) - zusammen mit den entsprechenden Neutrinos - bilden die drei Leptonfamilien (Teilchen, die keine starke Wechselwirkung haben); diese drei Teilchen haben sehr ähnliche Eigenschaften, mit Ausnahme der Masse: Die Mun ist etwa 200-mal schwerer als Elektron und Tauon etwa 17-mal schwerer.

In der "normalen" Welt von Atomen zusammengesetzten Objekten ist nur die erste Familie anwesend (Elektron und elektronische Neutrino), aber alle drei sind von großer Bedeutung in der Physik von Elementarteilchen und spielten eine wichtige Rolle in der Evolution des Uruniversums.

Seltsame Eigenschaften

Die Seltenheit der Neutrinos liegt in ihren Eigenschaften. Sie haben eine winzige Masse; bis vor ein paar Jahren glaubte man, sie hätten keine Masse, aber jetzt weiß man, daß sie sie haben, obwohl die des schwersten von ihnen, das Neutrino Tauon, wahrscheinlich mehr als eine Million Mal kleiner ist als die des Elektrons.

Andererseits haben Neutrinos Spione, aber keine magnetische Zeit, da sie keine elektrische Ladung besitzen.

Darüber hinaus schwanken sie zwischen ihnen, das heißt, ein Neutrino, sagen wir, Elektronik, hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit, im Laufe der Zeit zu einem Monon zu werden.

Und was sehr wichtig ist, sie interagieren kaum mit der Materie (Trillionen Mal weniger als das Licht, zum Beispiel).

Solche Eigenschaften machen diese Teilchen zu einer wahren Rarität in der Nähe des Geheimnisses. Neutrinos spielen jedoch eine wichtige Rolle in der Astrophysik und Kosmologie, insbesondere bei der Energieerzeugung in den Sternen und bei den Mechanismen zur Erzeugung und Emission schwerer Elemente (aus Lithium), die bei der Explosion einer Supernova auftreten und die sich beispielsweise in der Zusammensetzung vieler Planeten, einschließlich der Erde, als grundlegend erweisen.

Allgemeine Aspekte des Versuchs

Die allgemeinen Aspekte des OPERA-Experiments sind bekannt für die Veröffentlichung in Zeitungen und Pressezeitschriften sowie auf zahlreichen Websites. Denken wir an das Wesentliche.

Ein gut gekrümmter Ionenneutronstrahl, der nach dem Zusammenstoß von Protonen eines Genfer CERN-Beschleunigers mit Materie hergestellt wurde, wurde in gerader Linie durch die Erde geschickt (was aufgrund der Tatsache möglich ist, dass Neutrinos praktisch nicht mit Materie interagieren), bis zum OPERA-Detektor, der sich im unterirdischen Labor des Grand Sasso in Italien befindet.

Die zurückgelegte Strecke betrug etwa 730 km. Die OPERA-Ermittler haben mit hochpräzisen Systemen zur Messung der von Neutrinos zurückgelegten Entfernung und der entsprechenden Flugzeit festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Neutrinos um 0,00025% über der Lichtgeschwindigkeit liegt.

Obwohl diese Zahl klein ist, ist ihre Bedeutung - wenn sie richtig ist - von einem strikt grundlegenden Standpunkt aus sehr groß, wie unten gezeigt wird.

Auswirkungen und mögliche Erläuterungen

Was würde die Gültigkeit der OPERA-Ergebnisse bedeuten? Zunächst einmal die Ungültigkeit von mindestens einem der beiden Prinzipien, auf denen die Theorie der einstenschen Relativität beruht: Grundsatz der Kausalität und Nichtexistenz des Äthers, verstanden im Sinne eines privilegierten Trägheitssystems (technisch bekannt als Invarianz unter Lorentz Transformationen oder einfach "Invarianz Lorentz").

Das erste scheint unaussprechlich zu sein, nicht mehr für Relativität, sondern für Physik und Wissenschaft im Allgemeinen; das zweite Prinzip ist der Relativität, und eine ihrer Folgen ist die Beständigkeit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, d.h., dass dies nicht vom (ersten) System abhängt, in dem die erreichbare Höchstgeschwindigkeit gemessen wird und ist.

Wenn es keine andere Wahl gibt, ist es logisch, diesen letzten Grundsatz aufzugeben, um die Kausalität zu retten. Dies würde jedenfalls eine echte Revolution in der grundlegenden Physik mit unvorstellbaren Folgen bedeuten, obwohl sie zumindest bislang keine Änderung der Anwendungen der Physik, auch nicht in den anspruchsvollsten, zur Folge haben wird.

Es gibt bereits mehr oder weniger exotische Theorien, die versuchen, die mögliche superlichte Geschwindigkeit von Neutrinos zu erklären. Von ihnen ist die neugierigste und auf relativ festen theoretischen Grundlagen beruhende diejenige, die mehr als drei Dimensionen des Raums umfasst.

In unauffälligen, aber illustrativen Worten hätten Neutrinos mit einem "Zugriff" in einer zusätzlichen Dimension reisen können, so dass sie vor dem, was das Licht getan hätte, zum Detektor gelangen könnten, ohne dass die Geschwindigkeit dieses in einem dreidimensionalen normalen Raum überschritten werden musste, denn das Licht bewegt sich nur in diesem Raum.

Die Existenz zusätzlicher Raumdimensionen ist etwas "natürlich" in der modernen Theorie der Saiten (Super-Schnitten) der Elementarteilchen, aber in allen aktuellen Super-Schnellkörpermodellen sind die einzigen Teilchen, die sich in irgendeiner dieser Dimensionen bewegen könnten, die Gravitone, hypothetischen Teilchen (noch zu entdecken), die die Quantentransmitter der Gravitationsinteraktion sein würden, eine Rolle, die bis zu einem gewissen Grad der Rolle der Photonen in der elektromagnetischen Interaktion ähnelt.

Niemand hatte sich vorgestellt, bevor Neutrinos außerhalb des normalen Raumes reisen konnten, und die Aufnahme in die Seiltheorie scheint keine leichte Aufgabe zu sein, und was noch schlimmer ist, frei von internen Widersprüchen oder gut etablierten experimentellen Ergebnissen.

Warten wir auf die Bestätigung (oder Widerlegung) der OPERA-Ergebnisse. Ihre Bestätigung würde zweifellos eine echte Revolution in der Physik nach sich ziehen, die mit der Revolution der Relativität und Quantenphysik zu Beginn des letzten Jahrhunderts vergleichbar wäre.

In der Zwischenzeit, wie die Amerikaner sagen, stay tuned (Bleiben Sie zuhören).

Quelle: Wissenschaftliche Trends

Bild: Super-Kamiokande, Neutrino-Beobachtungsstelle in Hida, Japan

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