valoa nopeampien neutriinojen tapaus
IceCube-neutriino-observatorion maanpäälliset tilat (Wikimedia).
Syyskuussa 2011 fyysikkomaailmaa kohautti ilmoitus, jonka mukaan CERNistä lähetetyt neutriinot olivat kulkeneet valoa nopeammin. Uutisotsikoissa julistettiin Einsteinin olleen väärässä, ja tutkijat ympäri maailmaa yrittivät selittää mahdottomalta vaikuttavaa tulosta. Puoli vuotta myöhemmin syyksi paljastui tekninen virhe mittausjärjestelmässä. Mutta oliko tuloksen julkistaminen virhe itsessään? OPERA-kokeen tapaus kertoo paitsi tieteen erehtyväisyydestä myös siitä, miksi epäonnistumisista puhuminen on tärkeää ja miksi se voi olla yllättävän vaikeaa.
Helmikuussa 1987 havaittiin Suuressa Magellanin pilvessä supernova, joka sai tunnuksen SN 1987A. Se oli lähin Maasta havaittu supernova sitten vuoden 1604. Tästä massiivisen tähden räjähdyksestä tehdyt havainnot auttoivat ymmärtämään paremmin tähtien luhistumista. Tuolloin oli käynnissä useita maanalaisia kokeita, joissa pyrittiin havaitsemaan neutriinoja. Näitä kokeita ei oltu suunniteltu supernovien tutkimiseen, mutta kukin niistä havaitsi supernova SN 1987A:sta galaksiimme saapuneita neutriinoja. Merkillistä oli se, että neutriinot havaittiin ennen kuin supernovan väläyksen valo saavutti planeettamme. Oli kuin ne olisivat kulkeneet valoa nopeammin.
Neutriinot vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa äärimmäisen heikosti. Kun tähden ydin luhistui äkillisesti, syntyi valtava määrä neutriinoja, jotka pääsivät pakenemaan tähden tiheistä sisäosista lähes esteettä. Räjähdyksessä syntynyt iskuaalto kulki tähden kerrosten läpi hitaammin. Näkyvä valo pääsi purkautumaan avaruuteen voimakkaana välähdyksenä vasta, kun tähden pinta kuumeni iskuaallon saavuttaessa tähden ulkokerrokset. Neutriinot eivät siis kulkeneet valoa nopeammin, vaan ne pääsivät tähdestä ulos ennen kuin näkyvä valo pääsi lähtemään matkaan.
Supernova SN 1987A oli merkittävä, sillä se osoitti, että neutriinojen avulla voidaan tutkia myös aurinkokunnan ulkopuolisia tapahtumia. Aiemmin neutriinoja oli havaittu Auringosta, mutta nyt niitä saatiin kaukaisesta tähdestä. Neutriinot antoivat tietoa tähden ytimen luhistumisesta jo ennen kuin näkyvä valo paljasti räjähdyksen ulkoiset merkit.
Maailmankaikkeuteen oli avautunut uusi ikkuna. Sen kautta on sittemmin päästy tutkimaan kosmisia ilmiöitä, joista valo ei yksin kerro kaikkea. Neutriinoastronomian merkitys näkyy myös vuoden 2026 fysiikan Nobel-palkinnossa, joka myönnettiin Francis Halzenille hänen ratkaisevasta panoksestaan IceCube-neutriino-observatorion kehittämisessä.
Etelämantereella sijaitseva IceCube on neutriino-observatorio, jonka valonilmaisimet on sijoitettu noin kuutiokilometrin kokoiseen jääalueeseen. Ne havaitsevat heikkoja valovälähdyksiä, joita syntyy, kun neutriinojen vuorovaikutuksissa syntyvät varatut hiukkaset kulkevat jäässä. IceCuben avulla tutkitaan suurienergisiä kosmisia neutriinoja, jotka tarjoavat tietoa kaukaisista astrofysikaalisista kohteista.
Haamuhiukkaset vilistävät lävitsesi
Neutriinojen olemassaolo pääteltiin siitä, että niitä ei havaittu. Näytti siltä, että beetahajoamisessa energia ja liikemäärä eivät säilyisi. Beetahajoamisessa syntyneen elektronin energia vaihteli mittauksesta toiseen, vaikka mallien mukaan sillä pitäisi olla tietty energia. Itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli ehdotti vuonna 1930, että osa energiasta ja liikemäärästä kulkeutuisi toisen hiukkasen mukana. Italialainen Enrico Fermi kehitti teoriaa ja antoi hiukkaselle nimen neutriino. Tiedelehti Nature ei julkaissut Fermin artikkelia, koska se sisälsi spekulaatioita, jotka olivat liian kaukana todellisuudesta.
Neutriinoja on kolme lajia: elektronin neutriino, myonin neutriino ja taun neutriino. Ne eroavat toisistaan siinä, millaiseen varattuun hiukkaseen ne liittyvät. Neutriinot voivat myös muuttua lajista toiseen kulkiessaan avaruudessa. Tätä ilmiötä kutsutaan neutriino-oskillaatioksi, ja se osoittaa, että neutriinoilla täytyy olla edes hyvin pieni massa. Neutriinojen massa on erittäin pieni, alle miljoonasosa elektronin massasta.
Haamuhiukkasten kokeellinen havainnointi ei ole helppoa. Kehosi läpi kulkee arviolta yli 100 biljoonaa neutriinoa sekunnissa. Ne ovat peräisin pääasiassa Auringosta. Koska neutriinot vuorovaikuttavat aineen kanssa niin heikosti, lähes kaikki niistä vilistävät lävitsesi vuorovaikuttamatta kehosi aineen kanssa.
Ensimmäisenä suorana neutriinohavaintona pidetään Clyde Cowanin ja Frederick Reinesin koetta, jonka he toteuttivat Savannah Riverin ydinreaktorin läheisyydessä. Ydinreaktori on erinomainen antineutriinojen lähde, sillä fissiotuotteiden radioaktiivisissa hajoamisissa syntyy suuria määriä antineutriinoja. Vuonna 1956 Cowan ja Reines onnistuivat osoittamaan kokeellisesti antineutriinojen olemassaolon, yli kaksikymmentä vuotta sen jälkeen, kun Fermi oli kehittänyt beetahajoamisen teoriaa.
Oopperan kummitus
Syyskuussa 2011 kuultiin kummia. Italian Gran Sasson OPERA-koe mittasi Sveitsistä CERNistä ammuttuja neutriinosuihkuja. Koejärjestelmä oli äärimmäisen tarkka. Lähteen ja ilmaisimen välinen, noin 730 kilometrin matka oli mitattu alle 20 senttimetrin epävarmuudella. Atomikelloihin perustuva, GPS:n avulla synkronoitu ajoitusjärjestelmä mahdollisti neutriinojen matkaan käyttämän ajan mittaamisen nanosekuntien tarkkuudella. OPERA-tutkimusryhmä olikin ihmeissään, kun näytti siltä, että neutriinot saapuivat perille noin 60 nanosekuntia liian aikaisin. Mittauksen mukaan neutriinot näyttivät kulkevan valoa nopeammin.
Tutkijat kävivät koejärjestelyn läpi useaan kertaan, mutta eivät löytäneet mitään, mikä voisi aiheuttaa virheen. Tulos yllätti tutkijat täysin. Miten tällaisessa tilanteessa tulee toimia? Tutkimusjohtaja Sergio Bertolucci sanoi CERNin lehdistötiedotteessa: ”Kun kokeessa saadaan tulos, joka vaikuttaa uskomattomalta, eikä mittauksesta löydy mitään sellaista virhelähdettä, joka selittäisi sen, on normaali käytäntö pyytää laajempaa asiantuntijajoukkoa arvioimaan tulosta. Juuri näin OPERA-yhteistyö tekee, ja se on hyvää tieteellistä käytäntöä.”
Tuloksesta julkaistiin arXiv-palvelussa vertaisarvioimaton preprintti, tulosta käsiteltiin kaikille avoimessa seminaarissa ja CERN julkaisi siitä lehdistötiedotteen. OPERA-ryhmä ei tehnyt tuloksesta lopullisia johtopäätöksiä. Se raportoi poikkeuksellisen mittaustuloksen, jota ryhmä ei pystynyt selittämään, ja pyysi tiedeyhteisöä arvioimaan sitä.
Suhteellisuusteoriaa oltiin jo kuoppaamassa
Jo parin päivän kuluessa arXiviin ilmestyi ensimmäisiä artikkeleja, joissa todettiin mittaustuloksen olevan ristiriidassa aikaisempien havaintojen ja kokeiden kanssa. Tulokseen kriittisesti suhtautuvissa kirjoituksissa todettiin muun muassa, että mikäli neutriinot olisivat kulkeneet OPERAn mittaamalla nopeudella myös tähtienvälisessä avaruudessa, SN 1987A:n neutriinot olisivat saapuneet Maahan noin neljä vuotta ennen valoa. Tuolloin toiminnassa olleiden neutriinoilmaisimien aineistosta ei kuitenkaan löytynyt merkkejä tällaisesta aiemmasta neutriinopurkauksesta.
Fyysikot esittivät myös teoreettisia argumentteja. Nobelpalkittu Sheldon Glashow, yksi hiukkasfysiikan standardimallin kehittäjistä, esitti, että valoa nopeammin liikkuvat neutriinot menettäisivät nopeasti energiaansa säteilemällä elektroni-positronipareja. Tällöin niiden energiajakaumassa pitäisi näkyä vaikutuksia, joita OPERAn tuloksissa ei havaittu. Tämä oli yksi teoreettisista syistä epäillä mittaustulosta.
Siinä missä tiedeyhteisön ensi reaktio oli varovaisen kriittinen, nähtiin mediassa joitakin ylilyöntejä. OPERA-tulos tarjosi medialle vastustamattoman tarinan: oliko Einstein sittenkin väärässä? Otsikoissa pohdittiin suhteellisuusteorian romahdusta ja jopa mahdollisuutta matkustaa ajassa taaksepäin. Osa jutuista kertoi kuitenkin myös tutkijoiden epäilyistä ja siitä, että tulos vaati riippumatonta vahvistusta. Tieteellinen tulos oli poikkeuksellinen, mutta sen merkitys oli vielä avoin.
Toisaalta myös fyysikot antautuivat spekulaatioille. Seuraavien päivien ja viikkojen aikana arXiviin ilmestyi pari-kolmesataa OPERA-tulosta käsittelevää esijulkaisua. Niissä esitettiin monenlaisia selityksiä sille, miten neutriinot voisivat näyttää kulkevan valoa nopeammin. Pohdittiin esimerkiksi suhteellisuusteorialle keskeisen Lorentz-invarianssin rikkoutumista, uusia perusvuorovaikutuksia ja ylimääräisiä ulottuvuuksia. Jos tulos olisi pitänyt paikkansa, sen selittäminen olisi voinut johtaa merkittäviin muutoksiin fysiikan teorioissa. Siksi fyysikot olivat valmiita esittämään myös kovin spekulatiivisia ehdotuksia.
Valokaapeli vinksallaan
Tiedeyhteisön kritiikki johti myös uusiin mittauksiin. Jo muutamaa viikkoa myöhemmin CERNissä tuotettiin lyhyempiä neutriinopulsseja, joiden avulla lentoaika voitiin määrittää tarkemmin. OPERA sai kuitenkin edelleen tuloksen, jonka mukaan neutriinot näyttivät kulkevan liian nopeasti.
Suurten hiukkasfysiikan kokeiden toistaminen ei ole yksinkertaista. Ne vaativat valtavia laitteistoja ja erityisiä tutkimusympäristöjä, eikä toisen tutkimusryhmän ole helppo rakentaa samanlaista koetta alusta asti. Siksi tuloksia pyritään tarkistamaan myös riippumattomilla kokeilla, jotka voivat lähestyä samaa kysymystä eri tavoin.
Gran Sassossa toimi myös ICARUS-koe, joka sekin pystyi havaitsemaan CERNistä saapuvia neutriinoja. Se käytti erilaista ilmaisintekniikkaa ja omaa ajoitusjärjestelmäänsä. ICARUS-kokeessa ei havaittu valon nopeuden ylittymistä.
OPERAn mittaus perustui erittäin tarkkaan, useita laitteita ja kahden laboratorion välistä synkronointia vaativaan järjestelmään. Lopulta ajoitusjärjestelmästä löytyi kaksi virhettä, jotka vaikuttivat mittaukseen vastakkaisiin suuntiin. Merkittävämpi ongelma oli huonosti kytketty valokuituliitin, jonka kautta GPS-järjestelmän ajoitussignaali välitettiin maan alla sijaitsevalle OPERA:n pääkellolle. Liittimen ongelman vuoksi ajoitussignaalin viive oli arvioitu liian pieneksi. Tämän seurauksena neutriinojen saapumisaika kirjautui liian aikaiseksi. Lisäksi pääkellon toimintaa ohjannut oskillaattori oli väärin kalibroitu. Se vaikutti mittaukseen vastakkaiseen suuntaan ja pienensi osaltaan havaittua poikkeamaa.
Vuonna 2012 OPERA teki uudet mittaukset korjatulla järjestelmällä. Neutriinojen lentoaika oli yhteensopiva valonnopeuden kanssa.
Mittausvirheen löytyminen ei tarkoittanut, että OPERAn tutkijat olisivat suhtautuneet työhönsä huolimattomasti. Monimutkaisessa koejärjestelmässä virhe voi jäädä huomaamatta perusteellisista tarkistuksista huolimatta. Juuri siksi poikkeukselliset tulokset tarvitsevat riippumatonta arviointia.
Oliko julkistaminen virhe?
OPERA-tuloksesta oli syntynyt maailmanlaajuinen spektaakkeli. Villeimpien tulkintojen mukaan suhteellisuusteoria oli joutamassa romukoppaan. Oliko vahvistamattoman tutkimustuloksen julkaiseminen virhe? Vahingoittiko se tieteen mainetta?
Muiden tutkijoiden asiantuntemus oli tarpeen. OPERA-tutkimusryhmä oli jo yrittänyt löytää ongelman juurisyytä. Jos poikkeavasta tuloksesta ei olisi kerrottu julkisesti, ei sen selvittelyyn olisi saatu apua.
Voidaan silti kysyä, oliko tuloksesta tarpeen tiedottaa medialle? Jos lehdistötiedotetta ei olisi lähetetty, oltaisiinko vältytty mediassa esiintyneiltä yliampuvilta kommenteilta? Avoimuus on kuitenkin tieteen edellytys. Julkisesti rahoitetun tieteen tuloksista on tärkeää kertoa myös suurelle yleisölle. Samalla tutkijoiden ja tutkimuslaitosten vastuulla on tehdä selväksi, mikä tuloksissa on varmaa ja mikä vasta alustavaa.
Avoimuus ei yksin riitä. Tarvitaan myös huolellista viestintää: mitä mitattiin, kuinka suuri epävarmuus tulokseen liittyi, mitä ei vielä tiedetty ja miksi tulosta ei voitu pitää lopullisena. Toisaalta viestinnässä ei tule antaa tieteestä erehtymätöntä kuvaa. Jos tiedettä esitellään vain onnistumisten sarjana, sen todellinen toimintatapa jää piiloon ja jokainen epäonnistuminen näyttää kriisiltä. On myös tärkeää näyttää opiskelijoille ja aloitteleville tutkijoille, että myös kokeneet ammattilaiset kamppailevat joskus virheiden ja ongelmien kanssa. Siinä missä neutriinot avasivat uuden ikkunan maailmankaikkeuteen, OPERA-tapaus avasi ikkunan itse tieteen tekemiseen. •
Niklas Hietala