FTL-nøytrinoer: Hvorfor er tidsmålinger så himla vanskelige?

Ser det komplisert ut? Det er INGENTING i forhold til et partikkeleksperiment. Likevel mener vi at vi kan stole på dem. Hvorfor?

I september 2011 rapporterte eksperimentet OPERA at de – kanskje – hadde sett nøytrinoer fly fortere enn lyset. Verden reagerte med en blanding av skepsis (fra fysikerhold) og stor interesse (fra medier og folk flest – og fysikere). Relativitetsteorien og den moderne fysikken har stått i 100 år. En gang må jo boblen briste?

Nå, 23. februar 2012, sier OPERA at det hele kan ha skyldtes en kabel som ikke satt helt fast. Sprekken i boblen er muligens bare en luftspeiling. Hvordan der det mulig? Hvordan kan en så liten tue velte en så nøyaktig måling?

Ingenting er avgjort – enda

For å presisere en ting først: ‘Nøytrinosaken’ er i skrivende stund hverken bekreftet eller avkreftet. OPERA har funnet to uavhengige problemer med tidsmålingene sine, og dette gjør at eksperimentet må gjøres på nytt. I mai vil nye bunker av nøytrinoer bli sendt fra CERN i Sveits og gjennom jorden til Gran Sasso i Italia, og først da vil vi få virkelig ny informasjon. Men samtidig: Hele saken handler jo nettopp om en tidsmåling – en måling av hvor lang tid nøytrinoene brukte mellom de to punktene. Dersom denne nå er vist å være gal så gynger grunnen under FTL-nøytrinoene med et høyt tall på Richter-skalaen…

Anatomien til et høyenergieksperiment

OPERA-eksperimentet. Det er ganske mange kilometer kabel her. Hvordan holde orden på så mange kilometer tråd?

Det opplagte spørsmålet blir da: Hvorfor sjekket man ikke bare dette med en gang? Det kjedelige svaret er at: Det gjorde de såklart – dette og omtrent en million andre ting som må være 100% riktig for at resultatet skal være til å stole på. Midt oppr i dette kan de altså ha oversett en løs kabel… Kan man i det hele tatt stole på et moderne partikkelfysikkeksperiment, hvis det er så himla vanskelig bare å måle en tidsforskjell?

For å svare på det må vi se litt på hvordan et sånt eksperiment er skrudd sammen.

Elementærpartikler er bittemå. Vi kan ikke se dem direkte, men må i steden nøye oss med å fange opp elektriske signaler eller lyspulser som lages når de flyr forbi eller kræsjer inn i noe. I OPERAs tilfelle er det snakk om partikler som dunker inn i mursteinsaktige blokker av lysfølsomt materiale, og håpet er at de der skal gi opphav til andre partikler som i tur kan oppdages. Når man ‘ser’ et nøytrino, så er dette egentlig en serie med måleinstrumenter som rapporterer at de har sett et signal samtidig.

Men hva er ‘samtidig’? Selv uten å trekke inn relativitetsteorien er dette et vanskelig ord. Når ett instrument registrerer noe så må det fortelle resten av verden om det, og gjør dette ved å sende et signal langs en elektrisk eller optisk kabel. Er signalet elektrisk må vi ta hensyn til hvor fort elektroner beveger seg i kabelen, og hvor lang den er. Det samme gjelder hvis kabelen er optisk – da må vi tenke på lyshastigheten, ikke i vakuum hvor den er godt kjent men i en fiberoptisk kabel hvor den må måles for hvert materiale. Dessuten trenger elektronikken litt tid på å tenke. Hvor mye? Det må også måles. Og så videre.

Så tar vi med at et typisk eksperiment består av tusener eller til og med millioner av ‘kanaler’, hvor en kanal er en slik utlesning. Hver og en av dem må forstås. Hver og en må måles på, sjekkes, kontrolleres, kalibreres. Kabler må strekkes fra sentrum av eksperimentet og ut til datamaskinene som skal tygge på signalene.

Så tar vi ned at et typisk eksperiment ofte vil lese ut alle signalene et par hundre ganger i sekndet, og at man hver gang må vite at man ikke blander signalet fra ‘nå’ med det fra et hundredels sekund siden.

Alt dette er en vanvittig utfordring for både design, elektronikk og fysikere. Alt dette er til sammen grunnen til at høyenergifysikk ofte driver utviklingen av rask og presis elektronikk internasjonalt.

Nøytrinoresultatet var en modig ‘omvendt’ måling

Kan noe så komplisert virke? Hvordan gjør man det?

Som regel gjør man bruk av ting man vet fra før – for eksempel at lyshastigheten er en øvre fartsgrense. Man sender et signal, og vet på forhånd hvor lang tid det bør bruke. Så ser man når det faktisk kommer frem, og beregner ut fra det hvor lang forsinkelsen er for den spesielle kanalen. Da capo ad nauseam, inntil man har sjekket hele eksperimentet. Samtidig får man sjekket at alle kablene henger fast, at de går dit de skal gå, og så videre.

Hvor ofte finner man feil på denne måten? Veldig ofte – gjerne flere nye feil hver dag. Da merkes hver slik kanal som dårlig og blir ikke brukt videre i analysen før man har hatt en sjanse til å reparere den. Man prøver ikke å unngå alle feil, man lager heller eksperimentet slik at det tåler et visst – ganske høyt – antall av dem uten å gi feil svar.

OPERA-eksperimentet har gjort noe litt annet enn dette. I steden for å bruke tiden nøytrinoene brukte fra CERN til Gran Sasso som grunnlag for å justere hele eksperimentet, har de forsøkt å gjøre en måling av dette. Metoden har vært å i steden bruke GPS-signalet til å måle tiden. Dette er veldig nyskapende, og satte dem altså i stand til å prøve å måle noe ingen andre kunne: Kan nøytrinoer gå fortere enn lyset? Alle – inkludert dem selv – forventet at svaret skulle være nei…

Feil? Pinlig? Skandale?

OPERA har nå sluppet nyheten om at en av alle kablene deres kan ha vært litt løs. Dette kan igjen ha gjort at en av de mange tidsmålingen ble litt feil – omtrent passe mye feil for å få det til å se ut som nøytrinoene gikk fortere en lyset. De gikk ut med en mulig sensasjon, men må nå kankje trekke den tilbake. Er dette i såfall pinlig? Er det en skandale?

Egentlig er det nesten som forventet. Når man gjør noe for første gang er potensialet stort men fallhøyden enda større. OPERA har hele veien vært klare på at det KAN være en feil, de HAR ting igjen å sjekke. De sjekket nok alt det opplagte både en og fem ganger før de holdt seminaret sitt i september 2011, men en løs kabel er ingen lett feil å finne. Det står respekt av at de faktisk har funnet den – og enda mer av at de med en gang sier fra om det. Slik skal et seriøst eksperiment oppføre seg. Kontrasten til hemmelighetskremmende forskning på, si, kald fusjon, er slående.

Ærlighet og åpenhet er 100% nødvendig innen forskning - selv når det svekker sjansen for å få det resultatet du vil... (Kilde: xkcd.com)

Det hadde vært flott om nøytrinoer kunne fly fortere enn lyset, men per i dag ser det lite sannsynlig ut. Sikre kan vi likevel ikke være på en stund. Det vi derimot kan si er at partikkelfysikk viser seg som et modent og modig fagfelt. Vi må tørre å si fra om våre feil, men også tørre å trosse allmen visdom hvis vi måler noe rart. Og aller viktigst: Vi må alltid, alltid, alltid være åpne og ærlige. Jeg håper alle grener av forskningen tar lærdom av OPERAs håndtering av ‘nøytrinosaken’.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s