Pionen zerfallen nicht in überlichtschnelle Neutrinos

  • 28. December 2011

Theoretische Überlegungen stützen die Zweifel an Neutrinos, die schneller sind als Einstein erlaubt.

Ramanath Cowsik vom McDonnell Center for the Space Sciences an der Washington University in St. Louis und seine Kollegen haben den Finger in eine offene Wunde des Opera-Experiments gelegt, das im vergangenen Herbst Neutrinos gemessen haben soll, die sich schneller als das Licht bewegen.

Abb.: Das Icecube-Experiment: hier sollten sich nach der Theorie von Ramanath Cowsik und seinen Kollegen Neutrinos mit extrem hohen Energien nur zeigen, falls überlichtschnelle Neutrinos unmöglich sind. (Bild: ice.wustl.edu/ P. Guest)

Abb.: Das Icecube-Experiment: hier sollten sich nach der Theorie von Ramanath Cowsik und seinen Kollegen Neutrinos mit extrem hohen Energien nur zeigen, falls überlichtschnelle Neutrinos unmöglich sind. (Bild: ice.wustl.edu/ P. Guest)


Das Opera-Experiment hatte im September Daten veröffentlicht, nach denen Neutrinos die 730 Kilometer lange, unterirdische Strecke zwischen ihrem Erzeugungsort am Cern bei Genf und einem Detektor in Gran Sasso 60 Nanosekunden schneller zurückgelegten, als Licht für diese Distanz benötigen würde. In ihrer nun veröffentlichten Studie haben die Forscher um Cowsik den ersten Schritt des Erzeugungsprozesses der Elementarteilchen genau untersucht. „Wir haben analysiert, ob Pionenzerfälle überlichtschnelle Neutrinos erschaffen können, sofern Energie und Impuls erhalten bleiben“, sagt der Physiker.

Neutrinos besitzen nach der gängigen Vorstellung eine geringe, jedoch von Null verschiedene Masse. Nach Einsteins Spezieller Relativitätstheorie kann aber kein massebehafteter Partikel die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Überlichtschnelle Neutrinos dürfte es demnach nicht geben.

Im Experiment der Opera-Kollaboration entstanden die Teilchen aus Protonen, die auf ein festes Ziel einprasselten und dabei einen Puls von Pionen erzeugten. Diese instabilen Partikel wurden mit Magnetfeldern in einen langen Tunnel fokussiert, in dem sie in Myonen und Neutrinos zerfielen – so die Theorie.

Die Myonen wurden am Ende des Tunnels aufgefangen. Die Neutrinos jedoch, die kaum mit Materie wechselwirken, durchquerten diese Barriere und verschwanden in Richtung Gran Sasso.

„Wir haben gezeigt, dass – falls Neutrinos aus einem Pionenzerfall schneller als Licht wären – ihre Lebensdauer sich erhöhen würde. Neutrinos, die in diesem Zusammenhang entstünden, müssten einen geringeren Energieanteil tragen “, sagt Cowsik. „Dieses Problem würde sich mit steigender Pionenenergie weiter erhöhen.“

Es gibt, so die Wissenschaftler, auch eine experimentelle Überprüfung für ihre Theorie – und zwar im Neutrinoobservatorium Icecube, das im Eis der Antarktis Neutrinos aus der kosmischen Strahlung nachweist. „Icecube hat Neutrinos mit einer 10000-fach höheren Energie als bei Opera gemessen“, sagt Cowsick, „Dementsprechend sollten die Energien der zugehörigen Pionen in vergleichbarer Höhe liegen. Einfache Berechnungen auf Basis von Energie- und Impulserhaltung ergeben, dass die Lebensdauer dieser Pionen zu groß ist, als dass sie in überlichtschnelle Neutrinos zerfallen könnten.“

Die Messungen hochenergetischer Neutrinos mit Icecube wiesen auf einen Zerfall der Pionen nach den gängigen Vorstellungen der Physik hin. Diese besagen, dass Neutrinos sich der Lichtgeschwindigkeit annähern, diese aber nie überschreiten.

Washington University / Philipp Hummel

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