211service.com
Snabbare än ljuset Neutrino-pussel hävdas löst av speciell relativitet
Det har nu gått tre veckor sedan den extraordinära nyheten att neutriner som reser mellan Frankrike och Italien hade klockats röra sig snabbare än ljuset. Experimentet, känt som OPERA, fann att partiklarna som producerades vid CERN nära Genève anlände till Gran Sasso-laboratoriet i Italien cirka 60 nanosekunder tidigare än ljusets hastighet tillåter.
Resultatet har skickat en krusning av spänning genom fysikgemenskapen. Sedan dess har mer än 80 tidningar dykt upp på arXiv för att försöka avslöja eller förklara effekten. Det är dock rimligt att säga att den allmänna känslan är att OPERA-teamet måste ha förbisett något.
I dag argumenterar Ronald van Elburg vid universitetet i Groningen i Nederländerna övertygande om att han har hittat felet.
Låt oss först granska experimentet, som är enkelt i konceptet: en mätning av avstånd och tid.
Avståndet är okomplicerat. Platsen för neutrinoproduktionen vid CERN är ganska lätt att mäta med hjälp av GPS. Placeringen av Gran Sasso-laboratoriet är svårare att fastställa eftersom det ligger under ett kilometerhögt berg. Ändå säger OPERA-teamet att de har spikat avståndet på 730 km till inom 20 cm eller så.
Tiden för neutrinoflygning är svårare att mäta. OPERA-teamet säger att det exakt kan mäta ögonblicket när neutrinonen skapas och ögonblicket de detekteras med hjälp av klockor i varje ände.
Men det knepiga är att hålla klockorna exakt synkroniserade i båda ändar. Teamet gör detta med hjälp av GPS-satelliter, som var och en sänder en mycket exakt tidssignal från en omloppsbana på cirka 20 000 km ovanför. Det introducerar ett antal extra komplikationer som teamet måste ta hänsyn till, såsom tiden för GPS-signalernas färd till marken.
Men van Elburg säger att det finns en effekt som OPERA-teamet verkar ha förbisett: GPS-klockornas relativistiska rörelse.
Det är lätt att tro att satelliternas rörelse är irrelevant. När allt kommer omkring måste radiovågorna som bär tidssignalen färdas med ljusets hastighet, oavsett satelliternas hastighet.
Men det finns ytterligare en subtilitet. Även om ljusets hastighet inte beror på referensramen, gör tiden för flygningen det. I det här fallet finns det två referensramar: experimentet på marken och klockorna i omloppsbana. Om dessa rör sig i förhållande till varandra måste detta beaktas.
Så vad är satelliternas rörelse med avseende på OPERA-experimentet? Dessa sonder kretsar från väst till öst i ett plan som lutar 55 grader mot ekvatorn. Betecknande nog är det ungefär i linje med neutrinoflygvägen. Deras relativa rörelse är då lätt att beräkna.
Så ur synvinkeln av en klocka ombord på en GPS-satellit förändras positionerna för neutrinokällan och detektorn. Ur klockans perspektiv rör sig detektorn mot källan och följaktligen är avståndet som partiklarna färdats som observerats från klockan kortare, säger van Elburg.
Med detta menar han kortare än avståndet uppmätt i referensramen på marken.
OPERA-teamet förbiser detta eftersom det tänker på klockorna som på marken och inte i omloppsbana.
Hur stor är denna effekt? Van Elburg beräknar att det borde få neutrinerna att anlända 32 nanosekunder för tidigt. Men detta måste fördubblas eftersom samma fel inträffar i varje ände av experimentet. Så den totala korrigeringen är 64 nanosekunder, nästan exakt vad OPERA-teamet observerar.
Det är imponerande men det är inte att säga att problemet är gjort och dammat. Peer review är en viktig del av den vetenskapliga processen och detta argument måste hållas under granskning från samhället i stort och OPERA-teamet i synnerhet.
Om det står sig kommer det här avsnittet att vara laddat med ironi. Långt ifrån att bryta Einsteins teori om relativt, kommer mätningen snabbare än ljus att visa sig vara ytterligare en bekräftelse på det.
Ref: arxiv.org/abs/1110.2685 : Flygtider mellan en källa och en detektor observerad från en GPS-satellit.