Neutrinon och ljusets hastighet

I höstas tillkännagav fysiker vid experimentet Opera i Italien att de sett neutriner som är snabbare än ljuset. Spekulationerna satte fart: Hade Einstein fel? Kan vi resa i tiden nu? Eller är det ett uppenbart mätfel?

”Extraordinära påståenden kräver extraordinära bevis.” Citatet av astrofysikern och skeptikern Carl Sagan åter­kom överallt i rapporteringen om förra årets mest upp­märksammade naturvetenskapliga resultat. Den 23 sep­tember 2011 offentliggjorde fysiker vid experimentet Opera att de mätt neutriner som gick genom jorden från Cern i Genève till Gran Sasso i Italien 60 miljarddels sekunder snabbare än vad det skulle ha tagit ljuset att gå samma väg i vakuum.

Det var i allra högsta grad ett extraordinärt påstående. Att inget kan färdas fortare än ljuset i vakuum – 300 000 kilometer i sekunden – är en av grunderna i Einsteins rela­tivitetsteori. Det är inte fråga om en speciell egenskap hos ljuset, utan hastighetsgränsen är absolut och inskriven i själva rymden, rummet och tiden. Att det verkligen stäm­mer har visats om och om igen i otaliga experiment och observationer världen över, med otrolig precision. Därför är de flesta fysiker skeptiska till operas mätningar.

– Jag tycker nästan att det säger sig själv att resultatet från Opera inte är korrekt, säger Tommy Ohlsson, profes­sor i teoretisk fysik vid Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm och en av få specialister på teoretisk neutrino­fysik i Sverige.

Men neutrinon är en partikel som ständigt har gäckat oss. Liten, utan elektrisk laddning och med en nästan försumbar massa kan den gå rakt igenom hela jordklotet utan att stöta ihop med någonting, eftersom den extremt sällan påverkas av andra partiklar och inte känner av de krafter som håller ihop materien. Just nu strömmar miljarder neutriner genom din kropp utan att vare sig du eller de märker något.

Upptäcktes för att något inte stämde

Att vi alls vet att neutrinon existerar beror på ett knivigt problem som fysikerna fick i början av 1910-­talet. De upp­täckte att när radioaktiva atomkärnor sönderfaller och av­ger elektroner får elektronerna fel energi, fel rörelse­mängd och andra egenskaper som inte stämde. Något så grundläggande som energiprincipen – att energi inte kan skapas eller förstöras, bara omvandlas – verkade inte läng­re gälla. Först 1930 hittade österrikaren Wolfgang Pauli en möjlig lösning. I ett berömt brev, som börjar med orden Liebe radioaktive Damen und Herren (Kära radioaktiva damer och herrar), skickat till en konferens som han inte kunde delta i på grund av en bal i Zürich, föreslår han vad han kallar en desperat åtgärd: att postulera att ännu en par­tikel bildas vid sönderfallet. Den nya partikeln bär iväg den saknade energin och rörelsemängden, och för att allt ska fungera måste den enligt Pauli vara elektriskt oladdad, nästan utan massa, långsammare än ljuset och i princip omöjlig att detektera. Italienaren Enrico Fermi utvecklade teorin och gav partikeln namnet neutrino, italienska för li­ten oladdad partikel.

Pauli hade rätt i att neutrinon är snudd på omöjlig att upptäcka. Det dröjde ett kvarts sekel innan amerikanerna Clyde Cowan och Frederick Reines lyckades bevisa neu­trinons existens med hjälp av en kärnreaktor och två stora vattentankar tolv meter under jord i Savannah River Plant, South Carolina. Cowan och Reines skickade genast tele­gram till Pauli, och fick svaret ”Tack för meddelandet. Allt kommer till den som vet att vänta. Pauli.”

Det finns tre typer av neutriner: elektronneutriner, my­onneutriner och tauneutriner. Ingen vet vad en neutrino vä­ger, men den har viss massa. Att forskarna vet det beror på att en elektronneutrino ibland omvandlas till en myonneu­trino, något som vore omöjligt för en masslös partikel.

Opera­experimentets egentliga syfte är att studera hur ofta en myonneutrino blir en tauneutrino. På Cern i Ge­nève accelereras protoner som får krocka med kolatomer. Då bildas nya partiklar, så kallade pioner och kaoner, som snabbt sönderfaller till bland annat myonneutriner. Strålen med pioner och kaoner är riktad rakt mot Gran Sasso i mellersta Italien, 73 mil bort, och eftersom neutrinerna kan gå genom jord och berg, så fortsätter de i samma riktning genom marken hela vägen dit. Där fångas några få av dem i Opera­fysikernas partikeldetektor i en grotta under jord.

Fysikerna ser förstås aldrig själva neutrinerna, men när en neutrino råkar krocka med till exempel en proton i en atomkärna i detektorn ser de vilka nya partiklar som ska­pas. En infångad myonneutrino kommer att lämna efter sig en myon. Har neutrinon ändrat skepnad på vägen och blivit en tauneutrino kommer i stället en tauon att bildas (myoner och tauoner är som tyngre elektroner). Opera­fysikerna förväntar sig bara att någon enstaka av de tusentals neutri­ner som experimentet fångar varje år kommer att vara en tauneutrino.

Samma sak sågs i USA redan 2007

Nära Chicago i USA finns ett liknande experiment, Minos. År 2007 såg fysikerna där att deras neutriner eventuellt gick snabbare än ljuset. Detta fick knappt någon uppmärk­samhet alls, och resultatet var osäkert: neutrinernas hastig­het låg ”bara” två så kallade standardavvikelser (sigma), över ljushastigheten. Enligt statistikens lagar är det då till 98 procent säkert att neutrinerna verkligen hade överljus­fart. Det kan låta som betryggande säkerhet, men det räck­er inte i partikelfysikvärlden, och absolut inte för ett så omstörtande resultat. Det är mycket långt från ett extraor­dinärt bevis, för att tala med Sagan. Men sporrade av detta började fysikerna på Opera att undersöka ifall de kunde göra samma mätning. Med hjälp av GPS och atomur lycka­des de bestämma det exakta avståndet som neutrinerna färdas, alltså 73 mil, med en osäkerhet på bara 20 centime­ter, liksom att neutrinerna avverkade sträckan 60 miljard­dels sekunder snabbare än vad ljuset hade gjort i vakuum. Och denna gång var neutrinernas hastighet hela sex sigma över ljushastigheten. Det innebär att det är till 99,9999998 procent säkert att resultatet inte är en statistisk tillfällighet. Annorlunda uttryckt: sannolikheten att resultatet bara be­ror på slumpen är mindre än en på 500 miljoner.

Är det alltså bevisat att Einstein hade fel? Nej, inte rik­tigt. Inte ens Opera­forskarna ville påstå att deras neutri­ner bryter mot kosmos hastighetsbegränsning. I stället bad de världen om hjälp att hitta felet, eller i alla fall en förkla­ring. Flera av Opera­fysikerna ville inte ens ha sina namn med på rapporten.

Det blev ändå snabbt en världsnyhet. Men världens fysi­ker var skeptiska. Redan samma dag träffades partikelfysikerna vid Stockholms universitet och Kungli­ga Tekniska högskolan på ett möte, en brainstorming.

– Frågan kom upp: Hur länge tror vi att det här kommer att hålla innan det spricker? Näs­tan hundra procent av oss som var där trodde att det här inte överlever ett år, säger Tommy Ohlsson.

Det är inte bara relativitetsteorin som gör att fysikerna är tveksamma. En annan obser­vation tyder på att neutriner är långsammare än ljuset. År 1987 såg astronomer en väldig supernova i Stora Magellanska molnet 170 000 ljusår från jorden. Samma dag som ljuset från den exploderande stjärnan nådde jorden fångade neutrinoexperiment i Japan, Ryssland och USA nästan samtidigt en skur av neutriner (totalt 24 stycken) som måste ha kommit från supernovan. Det betyder att det tog i stort sett lika lång tid för ljuset och neu­trinerna att nå oss. Om neutrinerna hade varit så snabba som Opera mätt upp, skulle de ha nått jorden mer än fyra år tidigare. Då hade vi missat dem, eftersom den största neutrinode­tektorn, japanska Kamiokande II som såg 11 av de 24 neutrinerna, blev färdig först 1987.

I februari i år hittade Opera­fysikerna två problem som kan ha påverkat tidmätningen. Det ena, en dålig koppling i en optisk fiber för GPS-signalen, kan ha lett till att neutriner­na såg ut att vara snabbare än de var, medan det andra, en felkalibrerad oscillator, bör ha gjort att de såg långsammare ut. Senare i vår ska nya försök avgöra om resultatet ändå står sig eller om allt var en felmätning.

Blir tidsresor verkligen möjliga?

Men vad innebär det om Operas första resultat faktiskt stämmer? Opera­fysikerna själva ger sig inte in på några sådana spekulationer, och de avslutar sin artikel med me­ningen ”Vi avstår medvetet från att göra några teoretiska el­ler fenomenologiska tolkningar av resultatet”. Det är klokt, för konsekvenserna om neutrinerna verkligen är snabbare än ljuset vore förödande, eller i alla fall obegripliga.

Sören Holst, teoretisk fysiker vid Stockholms universitet, vill skilja på två fall – vad resultatet skulle innebära om Einsteins speciella relativitetsteori ändå stämmer, och vad det innebär om den inte stämmer. Det första alternativet är osannolikt, men möjligt, och skulle ge de märkligaste kon­sekvenserna:

– Då implicerar det att resor bakåt i tiden skulle vara möjliga, säger han.

Det betyder inte direkt att neutrinerna själva åker bakåt i tiden. Men när något, till exempel en neutrino, färdas for­tare än ljuset är det inte entydigt åt vilket håll den åker. Åskådaren Anna ser neutrinon börja i Cern och åka mot Gran Sasso, medan den för Berit, som rör sig i förhållande till Anna, åker från Gran Sasso till Cern. Berit skulle då kunna skicka ett meddelande med neutrinon från Gran Sasso till Cern, som för Anna skulle komma från framti­den, eftersom neutrinon ur hennes perspektiv inte kommit till Gran Sasso än.

– Det här blir väldigt problematiskt, och det är det främ­sta skälet till att vi i den speciella relativitetsteorin normalt antar att inget kan röra sig snabbare än ljuset. Å andra si­dan finns det mycket som är konstigt, så det kanske skulle vara möjligt, säger Sören Holst.

Hur neutrinon själv uppfattar sin resa är osäkert. En fo­ton, en ljuspartikel, som färdas med ljushastigheten borde känna att den är överallt samtidigt. Kanske upplever en överljusneutrino att tid och rum är ombytta.

– Men man ska nog inte spekulera om det, det är lite som att fråga vad ett måttband uppfattar, säger Sören Holst. Ett måttband är ju också överallt samtidigt vid en tidpunkt, och hur upplever måttbandet det?

I partikelfysiken och den speciella relativitetsteorin finns ändå utrymme för partiklar som är snabbare än ljuset, så kallade takyoner, men de måste ha imaginär massa (ett ima­ginärt tal är kvadratroten ur ett negativt tal) och kan å andra sidan aldrig röra sig långsammare än ljuset. Hastighets­gränsen gäller alltså åt båda hållen: de som är under måste hålla sig under, och de som är över måste stanna där. Enligt relativitetsteorin krävs oändligt mycket energi för att acce­lerera något med massa upp till ljushastigheten. Alltså är det helt omöjligt att accelerera en partikel från en vanlig hastighet till överljusfart. Om neutrinerna färdas fortare än ljuset så är de födda så och fortsätter så tills de förintas.

Om relativitetsteorin inte stämmer…

Neutrinoexperten Tommy Ohlsson är övertygad om att neutrinerna inte är takyoner:

– Vi kan inte mäta partiklar som har imaginär massa. Jag säger inte att takyoner inte finns, men de finns inte i vår fy­sikaliska värld. Vi har ju mätt neutriner och observerat att de har en verklig massa, och därmed är de inte takyoniska. Därför är det här ett brott mot speciella relativitetsteorin. Om resultatet från Opera är korrekt, så är speciella relati­vitetsteorin felaktig.

Just detta är Sören Holsts andra fall: att Einsteins speci­ella relativitetsteori inte stämmer. En möjlighet skulle vara att neutrinerna tar en genväg genom en extra dimension, så att de färdas långsammare än ljuset men tar en kortare väg och därför kommer fram snabbare.

– Det skulle vara en enkel modifiering, men den skulle lära oss något väldigt nytt om fundamental fysik, säger Sören Holst.

En mer dramatisk förändring skulle vara att det relativa samtidighetsbegreppet – en av grunderna i relativitetsteo­rin som innebär att det är hur man rör sig som avgör huru­vida man uppfattar två händelser som samtidiga eller inte – inte gäller på den grundläggande mikroskopiska nivån. Då behöver fysikerna en helt ny fundamental teori. Men Einsteins speciella relativitetsteori kommer ändå att vara fortsatt tillämpbar ungefär som i dag. Precis som när New­tons teori om gravitationskraften ersattes av Einsteins all­männa relativitetsteori men fortfarande går bra att använda för att räkna ut planetbanor och liknande.

– En del tidningar hade rubriker som ”Nu har man visat att Einstein hade fel”, men riktigt så är det inte även om Opera­-resultaten faktiskt skulle stämma, säger Sören Holst. På det filosofiska planet kan det dock vara drama­tiskt, eftersom en ny teori skulle ge nya svar på frågor som är grundläggande för vår världsbild.

Nu finns två möjligheter. Antingen hittar Opera felet i sin mätning eller så ser andra, oberoende experiment ock­så överljusneutriner. Grundregeln inom vetenskapen är ju att resultat måste bekräftas av andra. Just nu finslipas med säkerhet världens alla neutrinodetektorer för att göra lik­nande mätningar. Men sådana experiment tar lång tid att genomföra.

– Vi kan få vänta flera år innan ett annat experiment kom­mer med en oberoende mätning, säger Tommy Ohlsson.

The opera ain’t over till the fat lady sings, som amerika­nerna säger. Men de närmaste åren får vi fortsätta att lita på den speciella relativitetsteorin. Än så länge verkar det omöjligt att resa i tiden, annat än i skämtet som i otaliga va­rianter vandrade runt på twitter de där dagarna i september när Opera just offentliggjort sitt extraordinära påstående:

– Tyvärr, takyoner är inte välkomna här, sa baristan. En neutrino gick in på ett kafé i Italien.

Maria Gunther Axelsson