Tiedetöppäysjoulukalenteri 16: Valoakin nopeammat neutriinot

Ma, 12/16/2019 - 06:41 Jari Mäkinen
Gran Sasson OPERA-koelaitteistoa joulukehyksissä

Vuonna 2011 kansainvälisen OPERA-kokeen tutkijat ilmoittivat havainneensa merkkejä siitä, että neutriinot voisivat kulkea valoakin nopeammin. Ilmoitus sai aikaan tietysti suuren haloon, koska periaatteessa mikään ei voisi kulkea nopeammin kuin valo. Havainto paljastui sittemmin vääräksi, mutta opettavaiseksi: piuhat kannattaa kiinnittää kunnolla.

-

Jos Italiassa haluaa ajaa Roomasta nopeasti Adrianmeren rannalle, kannatta käyttää Gran Sassossa vuorten läpi vievää moottoritietunnelia.

Jotakuinkin tunnelin puolivälissä, syvällä vuoren uumenissa, on tiessä yllättäen risteys ja sen kohdalla tienviitta. Viitassa lukee "Laboratori Nazionali del Gran Sasso".

Gran Sasson kansallinen laboratorio on maanalainen tutkimuslaitos, missä tehdään pääasiassa neutriinoihin liittyvää tutkimusta. Hyvin huonosti aineen kanssa vuorovaikuttavat neutriinot kulkevat kätevästi suurtenkin kivimassojen läpi, jopa planeettamme läpi, ja paras paikka tutkia niitä on mennä syvälle Maan alle.

Eräs tällainen tutkimushanke oli OPERA, eli Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus. Suuri neutrinoita havaitseva koeasema valmistui vuonna 2008 Gran Sasson laboratorion C-halliin, ja se oli toiminnassa vuoteen 2012 saakka.

Se havaitsi Genevessä sijaitsevasta Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNistä lähetettyjä neutriinoita, ja tarkoitus oli havaita oskilloituneita taun neutriinoita.

OPERA-koe

Yksinkertaistettuna koe oli sellainen, että CERNissä tuotettiin 10,5 mikrosekunnin neutriinopulsseja, jotka havaittiin Gran Sassossa 730 kilometrin päässä olevassa ydinemulsiofilmejä käyttävässä koeasemassa. 

Neutriinoiden matka-aika mitattiin tarkasti moninkertaisesti varmennetulla ja tarkistetulla laitteistolla, missä oli kummassakin päässä atomikellot ja GPS-vastaanottimet. Paikannussatelliiteista saadaan erittäin tarkka aikasignaali, ja tätä itse asiassa käytetään arkisemmissakin sovelluksissa (kuten parkkimittareissa ja pankkitoiminnassa).

Ja sitten kävi niin, että maaliskuussa 2011 huomattiin neutriinojen vipeltävän matkan noin 60 nanosekuntia nopeammin kuin valolta kuluisi samaan matkaan. Neutriinot siis näyttivät kulkevan tunnetun fysiikan vastaisesti valoa nopeammin.

Tarkistusten jälkeen tutkijat uskalsivat julkistaa asian syyskuussa 2011. Tätä neutriinojen nopeuteen liittyvää "anomaliaa" ei pystytty selittämään laitteistoon liittyvillä asioilla, vaan tutkijat – tietoisena löytönsä merkityksestä – kehottivat tutkimusyhteisöä kiinnittämään asiaan huomiota ja tarkistamaan olisiko muualla saatu samankaltaisia tuloksia.

Jos havainto olisi pitänyt paikkansa, kyseessä olisi tosiaankin ollut mullistus. Suhteellisuusteoria olisi mennyt uusiksi, ja samoin paljon muutakin fysiikassa.

Tutkijat kävivät kiinni haasteeseen. Ensiksi työhön otettiin Gran Sassossa myös olleet neutriinokoeasemat ICARUS, BOREXINO ja LVD, eikä niissä havaittu merkkejä ylinopeudella kiitävistä neutriinoista. Muuallakaan ei löydetty merkkejä kummallisuuksista.

Myös OPERA:n laitteistoja syynättiin tarkasti, ja kävikin ilmi, että GPS-vastaanottimen signaalia tietokoneeseen syöttävä valokuitu oli ollut vähän löysällä. Kun kaapeli kiinnitettiin kunnolla, niin tulokset muuttuivat normaaleiksi: neutriinojen matka-aika piteni sen verran, että ne eivät enää kulkeneetkaan ylivalonnopeutta.

Heinäkuussa 2012 OPERA-tutkimisryhmä julkisti kokeensa tulokset vuosilta 2009–2011, ja näissä virheelliset tulokset oli kalibroitu ja yhdistetty tiukasti kiinni olleella valokuidulla tehtyihin kokeisiin. Nyt neutriinojen nopeus oli hyvin tarkasti odotetun kaltainen.

-

Otsikkokuvassa on OPERA:n tietokoneita ja kaapeleita. Kuva: S. Schiavon/LNGS-INFN.

Tiedetöppäysjoulukalenteri

Tiedetuubin joulukalenteri vuonna 2019 esittelee tieteellisiä töppäyksiä sekä erehdyksiä: tietoisia huijauksia, puhtaita vahinkoja ja myös varsin onnekkaiksi osoittautuneita epäonnistumisia. Ne auttavat myös ymmärtämään miten tiede toimii – ja että tutkijatkin ovat ihmisiä.

Kaikki avautuneet luukut ovat täällä.