OPERA-eksperimentet, som studerer nøytrinoer som blir sendt fra CERN i Geneve til en detektor under Gran Sasso-fjellet i Italia, kunngjorde i fjor høst at nøytrinoene de registrerte beveget seg raskere enn lyset. Siden Einstein lanserte sine relativitetsteorier har det vært allment akseptert at lyshastigheten er universets øvre fartsgrense, så dette resultatet vakte naturlig nok oppsikt. Selv om de fleste nok mener at noe må ha gått galt i eksperimentet, må vi vente med å konkludere den ene eller andre veien til nye eksperimenter enten bekrefter eller avkrefter OPERA-resultatet.
Verdens aller største laboratorium
I mellomtiden går det an å se etter andre målinger som kan kaste lys over problemet. Nå har fysikerne Paul Davies og Ian Moss vist at vi kan bruke det største laboratoriet som finnes, universet, til å så ytterligere tvil om nøytrinoene virkelig kan bevege seg raskere enn lyset. Ved å bruke observasjoner av mengdeforholdene av lette grunnstoffer i universet har de funnet at nøytrinoer med de energier som brukes i OPERA-eksperimentet høyst kan bevege seg omtrent en billiondel raskere enn lyset, hvilket er langt mindre enn OPERA hevder å ha målt.
Takyoner: raskere enn lyset er lov
Hvordan kunne Davies og Moss komme fram til dette resultatet? For å forstå fremgangsmåten deres, er det første vi må vite at relativitetsteorien ikke forbyr partikler å bevege seg raskere enn lyset. Det den sier er at noe som i utgangspunktet beveger seg saktere enn lyset aldri kan akselereres opp til lyshastigheten, for det vil kreve en uendelig mengde energi. Men den forbyr ikke en partikkel å bevege seg raskere enn lyset dersom den alltid har gjort det. I så fall sier teorien at det vil kreve uendelig med energi for å bremse den ned til lyshastigheten! Slike partikler, som er rent hypotetiske, kalles takyoner. Teoretiske fysikere har lekt med tanken på dem, men de fleste har vært skeptiske til at de kan finnes fordi takyoner ser ut til å kunne lede til noen filosofiske paradokser. For eksempel kan de brukes til å sende beskjeder til fortiden.
Gran Sasso-fjellet, der OPERA-eksperimentet befinner seg. Kilde: Wikipedia.
Er nøytrinoer takyoner?
Men filosofi er en ting, og fysikk er noe annet. Det er empiriske observasjoner, ikke tankeeksperimenter, som må avgjøre om takyoner finnes. Davies og Moss har derfor antatt at nøytrinoer er takyoner og regnet på hvilke konsekvenser det vil ha for universets utvikling.
Nøytrinoer ved Universets begynnelse
I de tidligste fasene av universets historie ble det dannet store mengder nøytrinoer. Faktisk er nøytrinoer den nest mest vanlige partikkeltypen i universet, etter lyspartiklene (fotoner). I konvensjonelle modeller, der nøytrinoer har høye hastigheter, men beveger seg langsommere enn lyset, spiller de en viktig rolle i universets første sekunder, fordi de sammen med fotonene ga de dominerende bidragene til universets energi. Relativitetsteorien sier at universets utvidelseshastighet er bestemt av energien.
Utvidelseshastigheten spilte en avgjørende rolle i denne epoken, fordi den bestemte hvor store mengder lette atomkjerner som kunne bli dannet. Fra universet var noen sekunder til noen minutter gammelt var det nemlig et vindu der forholdene lå til rette for at nøytroner og protoner ved fusjon kunne danne tyngre atomkjerner enn hydrogen. Universets utvidelse gjorde imidlertid at temperatur og tetthet ble for lave til at fusjonsprosessene kunne fortsette. Derfor ble det ikke dannet tyngre grunnstoffer enn litium. Alle tyngre grunnstoffer i universet er dannet senere, i det indre av stjerner og i supernovaeksplosjoner.
Mindre energi gir høyere hastighet
Nøytrinoer, som alle andre partikler, mister energi mens universet utvider seg. Men dersom de er takyoner, fører energitapet, stikk i strid med intuisjonen, til at farten deres øker. I prinsippet kan den bli uendelig stor. I et tidligere arbeid viste Davies at for en observatør som følger med i universets utvidelse vil dette sees som at et takyon møter et antitakyon og annihilerer. Nøytrinoenes bidrag til universets energi forsvinner, og dette fører til at utvidelseshastigheten endrer seg i forhold til standardmodellen, og dette vil igjen kludre til mengdeforholdene mellom de lette grunnstoffene.
Ut i fra det vi vet om disse mengdeforholdene, fant Davies og Moss en øvre grense for hvor mye raskere en lyset nøytrinoene i OPERA-eksperimentet kan bevege seg. Deres grense var flere størrelsesordner mindre enn det OPERA hevder å ha målt.
Mulig smutthull
Dermed er vel saken grei: OPERA tok feil. Det kan godt hende, det er til og med sannsynlig. Allikevel finnes det et smutthull: Nøytrinoene beveger seg kanskje raskere enn lyset uten å være takyoner. I så fall betyr det at Einsteins relativitetsteori ikke kan være fullstendig riktig. Vi venter i spenning på flere eksperimenter.
Referanse: P. C. W. Davies og I. G: Moss: Cosmological bounds on tachyonic neutrinos
Skrevet av professor Øystein Elgarøy.