Oopperan kummitus

Uudet havainnot tulevat joskus yllättävistä suunnista. Hiukkastutkijoiden suurten odotusten kohdistuessa LHC-kiihdyttimeen, joka toistaiseksi ei vielä löytänyt sen enempää Higgsin bosonia, supersymmetriaa kuin muutakaan uutta fysiikkaa, vuoden toistaiseksi suurin uutispommi tipahti suhteellisen tuntemattomasta OPERA-kokeesta: kokeen mukaan suurienergiset neutriinot näyttäisivät kiitävän valoa nopeammin.

Toistaiseksi tutkijat ovat vielä ymmällään tuloksesta, ja kyse voi hyvin (ehkä jopa todennäköisestikin) olla mittausvirheestä, vaikka OPERA-kokeen tutkijat ovatkin tarkistaneet menetelmänsä erittäin huolellisesti. Tässä vaiheessa he hyvän tieteellisen tavan mukaan kuitenkin toivat tuloksensa laajemman tiedeyhteisön tietoon, jotta muut tutkijat pääsevät kriittisesti tarkastelemaan tuloksia ja toistamaan mittausta muissa kokeissa.

Mikäli tulos varmennetaan oikeaksi, se on erittäin merkittävä löytö. Ensimmäiset lehtiartikkelit ehtivät jo hehkuttamaan Einsteinin suhteellisuusteorian joutavan roskakoriin, mutta todennäköisesti kyse olisi jostain hienovaraisemmasta “porsaanreiästä” luonnonlaeissa. Suhteellisuusteoriaa (niin yleistä kuin erityistä) on kuitenkin testattu tarkoilla mittauksilla viimeiset satakunta vuotta, ja se on selvinnyt kirkkaasti kaikista testeistä.

Palataan kuitenkin kertaamaan hieman perusfaktoja OPERAn löydöstä.

OPERA on Italian Gran Sasson maanalaisessa laboratiossa sijaitseva neutriinoilmaisin. Sen tehtävänä on havaita CERNin CNGS (Cern neutrinos to Gran Sasso) -kiihdyttimestä lähetettyjä muonin neutriinoja, ja tutkia niiden oskillaatiota taun neutriinoiksi. Tätä tapahtuu hyvin harvoin, mutta vuodesta 2006 toiminut OPERA havaitsi ensimmäisen taun neutriinon aiemmin viime vuonna.

Neutriinojen lentonopeuden mittaus ei ollut alunperin yksi OPERA-kokeen päätavoitteista, mutta sitä on viimeisten kuuden kuukauden aikana huomattavasti tarkennettu. Ajan mittausta varten sekä CERNiin että Gran Sassoon on asennettu Cesium-atomikellot, jotka tarkentavat aiemman GPS-laitteston aikasignaalin tarkkuutta 100 nanosekunnista noin yhteen nanosekuntiin. Samalla erityisessä maanmittauskampanjassa tarkennettiin CNGS:än ja OPERAN noin 730 km etäisyyden mittauksen tarkkuutta 20 senttimetriin. Matkan ja ajan suhteelliset tarkkuudet ovat näin 3×10^-7 ja 4×10^-7, eli miljoonasosan kymmenyksiä. Kokeen mittaama lentonopeuden muutos on 2.5×10^-5, eli pari kertaluokkaa suurempi.

Vaikka kyseiset luvut kuulostavat erittäin tarkoilta, kyseessä on kuitenkin melko rutiininomainen tarkkuus modernille metrologialle (ajanmittaukselle) ja geodesialle (maanmittaukselle). Suurin epätarkkuus etäisyyden mittaukseen aiheutuikin itseasiassa mittauksen viennistä maan alle hankalissa olosuhteissa: laboratorion ohi kulkee maan alla vilkas tie, ja toisen kaistan liikenne jouduttiin pysäyttämään viikoksi etäisyysmittausten suorittamiseksi kahdesta eri suunnasta. Maanpäälliset mittalaitteet itsessään yltävät hyvin senttimetrin tarkkuusluokkaan.

OPERA ei itse asiassa mitannut niinkään neutriinojen lentonopeutta, kuin niiden saapumisaikojen ja odotettujen saapumisaikojen erotusta. Neutriinot syntyvät CERNin kiihdyttimestä irrotetuissa noin 10 mikrosekunnin mittaisissa “loiskeissa”, joten yksittäisten neutriinon lentoaikaa ei voida mitata, vaan saapumisaika pääteltiin tilastollisesti kolmen vuoden ajalta keskiarvoistetuista mittauksista. Mittauksen tarkkuuden kannalta olennaisimpia olivatkin juuri loiskeen alku- ja loppukohtien määritys noin 16000 neutriinon näytteestä.

Loiskeiden muodon mittaus onkin ehkä OPERAn tuloksen haastavin osuus. OPERA-kokeen tutkijat suorittivat huolellisia varmennuksia käyttämänsä tilastollisten menetelmien ja mallien oikeellisuudelle, mutta mitattu 60 nanosekunnin siirtymä 10.000 nanosekunnin mittaisessa loiskeessa on silti varsin haastava 6 tuhannesosaa. Pienikin virhe loiskeen alun tai lopun muodon määrityksessä voisi ehkä aiheuttaa havaitun kokoisen siirtymän. Tutkijat kuitenkin asensivat CERNin kiihdyttimelle erillisen mittalaitteen loiskeen muodon määritykseen, joten tätäkään ei jätetty sattuman varaan.

Toistaiseksi OPERAn käyttämissä menetelmissä ei ole havaittu virheitä, ja Nobel-voittaja Sam Ting onnittelikin kollaboraatiota perjantaisen seminaariesitelmän päätteeksi huolellisesta työstä. Tiedeyhteisön vakuuttaminen on kuitenkin vasta alussa, ja vaatii tulosten toistamista riippumattomissa kokeissa. Tulosten toistamisessa avainasemassa voi olla esimerkiksi Fermilabissa ja Minnesotassa sijaitseva Minos-koe, joka jo aiemmin esitti vastaavia mittaustuloksia, mutta huomattavasti suuremmilla virheillä.

Ei pidä myöskään unohtaa, kuten OPERAn tutkijat paperissaan myös mainitsevat, että kosmisista lähteistä syntyneiden huomattavasti matalaenergisempien neutriinojen on aiemmin havaittu noudattavan valonnopeutta alle 1×10-9 poikkeamalla. Nopeusrajoitusten rikkominen vaatii siis neutriinoiltakin hyvin erityisiä olosuhteita.

Mystiset, hyvin heikosti vuorovaikuttavat ja jo aiemminkin yllätyksiä tarjonneet neutriinot ovat nyt hyvinkin ansainneet paikkansa tieteen OPERAn kummituksena.

OPERAn tulokset on julkaistu arXivissa . Lehdistötiedote OPERAn tuloksista löytyy täältä ja nauhoitetta tulosten julkistamista seuranneesta seminaariesitelmästä täältä (huom. nauhoite ei vielä saatavilla 24.9.) . Uutisia aiheesta löytyy YLEn ja Helsingin sanomien sivuilta, ja keskustelua mm. englanninkielisiltä blogeilta Resonaances, Quantum Diaries Survivor ja The Hammock Physicist. Prof. Paula Eerolan haastattelua CERNin uusista tuloksista voi seurata Radiaattorissa keskiviikkona 25.9.