Сверхсветовые нейтрино последние гипотезы. К вопросу о сверхсветовой скорости движения нейтрино
МОСКВА, 8 июн - РИА Новости. Ученые, работающие в нейтринном проекте OPERA, после серии экспериментов окончательно опровергли полученные ими ранее данные о способности элементарной частицы нейтрино двигаться быстрее скорости света - крупнейшая научная сенсация последних лет не прожила и года, сообщил РИА Новости один из участников эксперимента - сотрудник Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Юрий Горнушкин.
Нейтринный эксперимент OPERA оказался в центре внимания СМИ в конце сентября 2011 года, когда ученые из этой группы . По оценкам ученых, нейтрино пролетали 730 километров от ускорителя SPS в ЦЕРНе до подземного детектора OPERA в итальянской лаборатории Гран Сассо в среднем на 60 наносекунд быстрее, чем предполагали расчеты.
Однако позже участники коллаборации OPERA сообщили, что они обнаружили техническую ошибку, которая могла привести к появлению данных о превышении скорости света. Коллаборация решила провести в мае новую проверку этих результатов.
Конец сенсации
Как сообщил РИА Новости руководитель группы участников эксперимента OPERA из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Юрий Горнушкин, на конференции Neutrino 2012 в японском городе Киото в пятницу был представлен доклад о результатах этой проверки.
"Эксперимент был повторен в конце прошлого года и в мае нынешнего года в специальных условиях, с очень короткими импульсами нейтрино из ускорителя ЦЕРНа, делающими интерпретацию результатов совершенно однозначной. Согласно последним данным, подтверждается, что скорость нейтрино совпадает со скоростью света с хорошей точностью, и, таким образом, окончательно доказывается ошибочность прошлогодних сенсационных заявлений", - сказал Горнушкин.
Проверка скорости нейтрино, проведенная OPERA, а также тремя другими нейтринными экспериментами, базирующимися в Гран-Сассо - Borexino, LVD и ICARUS - не показала значимых отклонений от скорости света.
В частности, измеренное OPERA отклонение времени прихода нейтрино от ожидаемого составило лишь 1,6 наносекунды. При этом статистическая погрешность составляет плюс-минус 1,1 наносекунды, а систематическая - до 6,1 наносекунды. Результат ICARUS - 5,1 наносекунды при суммарной погрешности плюс-минут 6,6 наносекунды, Borexino - 2,7 наносекунды плюс-минус 4,2 наносекунды, LVD - 2,9 наносекунды плюс-минус 3,6 наносекунды.
Не проверили разъем
Докладчик - Маркос Дракос (Marcos Dracos) из французского Института междисциплинарных исследований (IPHC) рассказал также о причинах ошибки.
Источником сверхсветовых нейтрино оказался плохо вставленный разъем оптического кабеля между внешней антенной GPS и блоком в системе сбора данных установки, отвечающим за синхронизацию внутренних часов установки и часов в ЦЕРНе, где определялся момент начала движения нейтрино.
"Это приводило к тому, что внутренние часы эффективно оказывались спешащими, что и приводило к ложному впечатлению, будто нейтрино прилетают раньше, чем если бы они имели скорость, равную скорости света", - сказал Горнушкин.
По его словам, задержка этого оптического кабеля была измерена в 2007 году. После этого разъем был вставлен неправильно, что привело к дополнительной задержке на этом разъеме в 73 наносекунды, но об этом уже не знали и не учитывали при расчете времени пролета нейтрино - до проверки, предпринятой в конце 2011 года. Кроме того, был обнаружен еще один эффект - частота генератора внутренних часов системы сбора данных была чуть меньше номинальной.
"Это не страшно, если время синхронизуется с внешним очень точным временным сигналом достаточно часто. Однако синхронизация производилась раз в 0,6 секунды, что давало около 15 наносекунд уже в сторону замедления времени при измерении времени пролета", - пояснил ученый.
После получения "сверхсветового результата" большинство участников эксперимента настаивали на продолжении и повторении проверок. Однако научный координатор Дарио Аутиеро (Dario Autiero), который проводил все эти измерения, уверял, что все уже много раз проверено, и сомнений нет.
В конце концов было решено сделать семинар в ЦЕРНе, после чего и возникла сенсация, а на физическое сообщество обрушился водопад объясняющих новый эффект теорий - от вполне здравых до дилетантских.
"Это, кстати, самая позитивная часть этой истории - сенсация всколыхнула научную фантазию, интерес к научным результатам в обществе. Все бы это было неплохо, любой исследователь имеет право на ошибку, но надо быть очень и очень критичным в своей работе. В нашем случае кое-кто очень хотел славы, поэтому выдавал желаемое за действительностью. Слава в результате была приобретена", - сказал Горнушкин.
Он напомнил, что руководителя эксперимента OPERA профессора Антонио Эредитато (Antonio Ereditato) и самого Аутиеро - главного ее автора.
Научный директор ЦЕРНа Серджио Бертолуччи (Sergio Bertolucci) тоже видит положительные стороны в произошедшем.
"Эта история поразила воображение публики и дала людям возможность увидеть научные методы работы в действии - неожиданный результат был подвергнут тщательной проверке, случай был основательно изучен и разрешен благодаря, в частности, сотрудничеству с другими экспериментами. Именно так науки и двигается вперед", - скаазл Бертолуччи.
Возвращение к тау-нейтрино
Теперь коллаборация прикладывает усилия, чтобы успешно завершить выполнение главной задачи эксперимента: поиска появления тау-нейтрино, но уже с другим руководством, сказал Горнушкин.
Главная задача эксперимента OPERA - исследование осцилляций нейтрино - способности этих частиц превращаться из нейтрино одного типа в другой. Всего известно три типа нейтрино - электронные, мюонные и тау-нейтрино. Их способность превращаться служит доказательством наличия массы нейтрино.
В 2010 году проект OPERA впервые зафиксировал превращение мюонного нейтрино в тау-нейтрино. Гипотеза о том, что разные типы этих частиц могут превращаться друг в друга, существует в физике достаточно давно и подкреплена множеством свидетельств, однако непосредственно превращение, нейтринную осцилляцию ученые наблюдали впервые.
Новый руководитель проекта OPERA Мицусиро Накамура (Mitsuhiro Nakamura) сообщил, что физики во второй раз "увидели" превращение мюонного нейтрино в тау-нейтрино.
Научная группа OPERA повторила эксперимент по измерению скорости нейтрино и подтвердила ранее полученные сенсационные данные о превышении скорости света ; согласно новым результатам, нейтрино пролетали дистанцию в 730 километров на 57 наносекунд быстрее света, сообщила РИА Новости участница проекта Наталья Полухина, глава лаборатории элементарных частиц Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН).
В конце сентября 2011 года физики коллаборации OPERA, участники одноименного эксперимента по исследованию осцилляций нейтрино, заявили, что измеренная ими скорость этих частиц превысила скорость света . По оценкам этих ученых, нейтрино пролетали 730 километров от ускорителя SPS в ЦЕРНе на территории Швейцарии до подземного детект ора в тоннеле Гран-Сассо (Италия) в среднем на 60 наносекунд быстрее, чем предполагали расчеты.
Это вызвало поток сообщений в прессе об "опровержении" теор ии относительности Эйнштейна. Сами авторы сенсации склонны полагать, что речь идет о каких-то еще не замеченных искажениях. До официальной публикации результатов в научном журнале ученые решили повторить эксперимент и снять некоторые факторы, которые могли стать причиной наблюдаемого отклонения. Однако в итоге сверхсветовой результат был подтвержден.
"Известны результаты проверки, коллаборация и независимые эксперты проверяли все очень тщательно, был специально организован дополнительный пучок нейтрино из ЦЕРНа, результат остался практически тем же - не 60, а 57 наносекунд", - сказала Полухина.
По ее словам, уровень достоверности результата остался на том же уровне - шесть стандартных отклонений (чтобы говорить об открытии физикам достаточно получить пять стандартных отклонений).
"Коллаборация ошибку в измерениях не нашла, статья будет опубликована, будет более широкое обсуждение. Неизвестно, что не так, потому что проверено все мыслимое и немыслимое. Посмотрим, что скажет общественность, потому что этот результат все слишком переворачивает", - добавила собеседница агентства.
Она рассказала, что проверкой данных OPERA будут также заниматься участники нейтринного эксперимента MINOS в американской Лаборатории имени Ферми.
"Они сказали, что в течение трех месяцев повторят этот результат, но я сомневаюсь, что это возможно, потому что техника серьезная, ее нужно установить, отладить. У OPERA два года ушло на то, чтобы систему отладить. С другой стороны, OPERA готова передать свое оборудование, и помогать готова", - сказала Полухина.
В эксперименте OPERA протоны, разогнанные в ЦЕРНе на протонном суперсинхротроне SPS до энерги и 400 гигаэлектронвольт, ударяют в графитовую мишень, порождая мезоны и каоны. Эти частицы летят по километровому вакуумному туннелю в процессе распада, порождая нейтрино, которые, в свою очередь, отправляются в 730-километровое путешествие сквозь земную толщу до лаборатории в туннеле Гран-Сассо (Италия), где их встречает детект ор.
Для определения скорости нейтрино необходимо измерить путь и время прохождения частицей этого пути. Расстояние между ЦЕРНом и детект ором OPERA (732 километра) измеряется с точностью 20 сантиметров, а время прихода нейтрино - с точностью 10 наносекунд. Используя такие усредненные данные о 16 тысячах нейтрино, был получен результат о превышении скорости света на 60 наносекунд - результат, который сейчас скорректирован до 57 наносекунд.
В первом эксперименте ученые использовали протонные импульсы длительностью 10 микросекунд, содержащие пять наносекундных сбросов пучка. Однако в повторном опыте они использовали более короткие импульсы продолжительностью 1-2 наносекунды с паузами в 500 наносекуд, чтобы получить более "четкий" фронт нейтринной волны и исключить возможные ошибки.
"Внутренняя проверка коллаборации пока ничего не нашли, результат остается и будет опубликован", - заключила Полухина.
Прошло не так много времени.... 27-12-2011 и Найдены новые теор етические аргументы против возможности сверхсветового движения нейтрино :
Выполнив относительно простые расчёты, основанные на законах сохранения энерги и и импульса для распадов, авторы показали, что в условиях эксперимента OPERA — при использовании нейтрино и пионов со средними энерги ями в ~17,5 и ~60 ГэВ — параметр α не должен подниматься выше 4.10 -6 . Чтобы допустить измерение α = 2,5.10 -5 , время жизни пионов необходимо увеличить примерно в шесть раз. Возможность столь серьёзного изменения параметров частиц, разумеется, исключена.
Ещё более строгие ограничения на α, по словам физиков, устанавливает эксперимент IceCube , в котором регистрируются высокоэнергетичные нейтрино и мюоны астрофизического происхождения. Детектор IceCube представляет собой набор регистрирующих модулей, оснащённых фотоэлектронными умножителями и нанизанных на «нити». Эти сборки устанавливаются на глубине от 1 450 до 2 450 м в толще льда, и заряженные частицы, образующиеся при взаимодействиях нейтрино и движущиеся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света во льду, порождают черенковское излучение, за которым и следят фотоумножители.
Ориентируясь на первые результаты наблюдений, которые недавно опубликовала коллаборация IceCube, авторы установили, что α не должна превышать 10 -12 . «Как видим, получить сверхсветовые нейтрино, не нарушив известных современной физике законов, чрезвычайно трудно, — заключает руководитель исследования Раманат Коусик (Ramanath Cowsik). — При этом никаких претензий к коллаборации OPERA предъявить нельзя: они тщательно проверяли свои данные и обнародовали их лишь тогда, когда испробовали все методы поиска ошибок. Очевидно, какая-то ошибка всё же осталась незамеченной, и теперь мы — всё физическое сообщество — должны помочь обнаружить её».
Полная версия отчёта, подготовленного г-ном Коусиком и его коллегами, опубликована в журнале Physical Review Letters ; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv .
Подготовлено по материалам Университета Вашингтона в Сент-Луисе .
| Анонсы новостей - что это? |
| Слава и первая смерть Футуристическая фантастика: . 27-07-2019г. |
| Почему артисты становятся президентами Про то, как опытные журналюги, блоггеры и артисты используют свои навыки для вранья в пользу своих представлений и активно продвигают это вранье методами изощренной, давно отрепетированной риторики. : . 26-06-2019г. |
| Особенности понимания схемотехнических систем В чем заключаются основные причины современного недопонимания функций адаптивных уровней эволюционного развития мозга: |
Нейтрино - это элементарная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда. Она обладает очень малой массой, которая может быть даже нулевой. От массы зависит и скорость нейтрино. Различие во времени прибытия частицы и света составляет 0,0006 % (± 0,0012 %). В 2011 г. в ходе эксперимента OPERA было установлено, что скорость нейтрино скорость света превышает, но независимый опыт этого не подтвердил.
Неуловимая частица
Это одна из наиболее распространенных частиц во Вселенной. Так как она очень мало взаимодействует с веществом, ее невероятно трудно обнаружить. Электроны и нейтрино не участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, но и в равной степени принимают участие в слабых. Частицы, обладающие такими свойствами, называются лептонами. В дополнение к электрону (и его античастице позитрону), к заряженным лептонам относят мюон (200 масс электрона), тау (3500 масс электрона) и их античастицы. Их так и называют: электрон-, мюон- и тау-нейтрино. У каждого из них есть антиматериальная составляющая, называемая антинейтрино.
Мюон и тау, подобно электрону, имеют сопутствующие им частицы. Это мюон- и тау-нейтрино. Три типа частиц различаются друг от друга. Например, когда мюонные нейтрино взаимодействуют с мишенью, они всегда производят мюоны, и никогда тау или электроны. При взаимодействии частиц, хотя электроны и электрон-нейтрино могут создаваться и уничтожаться, их сумма остается неизменной. Этот факт приводит к разделению лептонов на три вида, каждый из которых обладает заряженным лептоном и сопровождающим его нейтрино.
Для обнаружения этой частицы необходимы очень большие и чрезвычайно чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низким уровнем энергии будут путешествовать в течение многих световых лет до взаимодействия с веществом. Следовательно, все наземные эксперименты с ними полагаются на измерении их малой доли, взаимодействующей с регистраторами разумных размеров. Например, в нейтринной обсерватории в Садбери, содержащей 1000 т тяжелой воды, через детектор проходит около 1012 солнечных нейтрино в секунду. А обнаруживается только 30 в день.
История открытия
Вольфганг Паули первым постулировал существование частицы в 1930 г. В то время возникла проблема, потому что казалось, что энергия и угловой момент не сохраняются при бета-распаде. Но Паули отметил, что если будет излучаться не взаимодействующая нейтральная частица нейтрино, то закон сохранения энергии будет соблюден. Итальянский физик Энрико Ферми в 1934 развил теорию бета-распада и дал частице ее имя.
Несмотря на все предсказания, в течение 20 лет нейтрино не могли обнаружить экспериментально из-за его с веществом. Так как частицы электрически не заряжены, на них не действуют электромагнитные силы, и, следовательно, они не вызывают ионизацию вещества. Кроме того, они вступают в реакцию с веществом только через слабые взаимодействия незначительной силы. Поэтому они являются наиболее проникающими способными проходить через огромное число атомов, не вызывая никакой реакции. Только 1 на 10 миллиардов этих частиц, путешествуя через материю на расстояние, равное диаметру Земли, вступает в реакцию с протоном или нейтроном.
Наконец, в 1956 году группа американских физиков во главе с Фредериком Райнесом сообщила об В ее экспериментах антинейтрино, излучаемые ядерным реактором, взаимодействовали с протонами, образуя нейтроны и позитроны. Уникальные (и редкие) энергетические сигнатуры этих последних побочных продуктов стали доказательствами существования частицы.
Открытие заряженных лептонов мюонов стало отправной точкой для последующей идентификации второго вида нейтрино - мюонных. Их идентификация была проведена в 1962 году на основе результатов эксперимента в ускорителе частиц. Высокоэнергетические мюонные нейтрино образовывались путем распада пи-мезонов и направлялись на детектор таким образом, чтобы можно было изучить их реакции с веществом. Несмотря на то что они являются нереакционноспособными, как и другие типы этих частиц, было обнаружено, что в тех редких случаях, когда они реагировали с протонами или нейтронами, мюон-нейтрино образуют мюоны, но никогда электроны. В 1998 г. американские физики Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер получили Нобелевскую премию по физике за идентификацию мюон-нейтрино.
В середине 1970 годов физика нейтрино пополнилась еще одним видом заряженных лептонов - тау. Тау-нейтрино и тау-антинейтрино оказались связанными с этим третьим заряженным лептоном. В 2000 году физики в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми сообщили о первых экспериментальных доказательствах существования этого типа частиц.
Масса
Все типы нейтрино обладают массой, которая гораздо меньше, чем у их заряженных партнеров. Например, эксперименты показывают, что масса электрон-нейтрино должна быть меньше 0,002 % массы электрона и что сумма масс трех разновидностей должна быть меньше 0,48 эВ. В течение многих лет казалось, что масса частицы равна нулю, хотя не было никаких убедительных теоретических доказательств, почему это должно быть именно так. Затем, в 2002 году, в Нейтринной обсерватории в Садбери было получено первое прямое доказательство того, что электрон-нейтрино, испускаемые ядерными реакциями в ядре Солнца, пока они проходят сквозь него, изменяют свой тип. Такие «осцилляции» нейтрино возможны, если один или несколько видов частиц обладают некоторой малой массой. Их исследования при взаимодействии космических лучей в атмосфере Земли также свидетельствуют о наличии массы, но требуются дальнейшие эксперименты, чтобы более точно ее определить.
Источники
Естественные источники нейтрино - это радиоактивный распад элементов в недрах Земли, при котором испускается большой поток низкоэнергетических электронов-антинейтрино. Сверхновые тоже являются преимущественно нейтринным явлением, поскольку только эти частицы могут проникать сквозь сверхплотный материал, образующийся в коллапсирующей звезде; лишь малая часть энергии преобразуется в свет. Расчеты показывают, что около 2 % энергии Солнца - это энергия нейтрино, образованных в реакциях термоядерного синтеза. Вполне вероятно, что большая часть темной материи Вселенной состоит из нейтрино, образовавшихся во время Большого взрыва.
Проблемы физики
Области, связанные с нейтрино и астрофизикой, разнообразны и быстро развиваются. Текущие вопросы, привлекающие большое число экспериментальных и теоретических усилий, следующие:
- Каковы массы различных нейтрино?
- Как они влияют на космологию Большого взрыва?
- Осциллируют ли они?
- Могут ли нейтрино одного типа превращаться в другой, пока они путешествуют через материю и пространство?
- Являются ли нейтрино принципиально отличными от своих античастиц?
- Как звезды разрушаются и образуют сверхновые?
- Какова роль нейтрино в космологии?
Одной из давних проблем, вызывающей особый интерес, является так называемая проблема солнечных нейтрино. Это название относится к тому, что во время нескольких наземных экспериментов, проводившихся в течение последних 30 лет, постоянно наблюдалось меньше частиц, чем необходимо для производства энергии, излучаемой солнцем. Одним из возможных ее решений является осцилляция, т. е. преобразование электронных нейтрино в мюонные или тау во время путешествия к Земле. Так как гораздо труднее измерить низкоэнергетические мюон- или тау-нейтрино, такого рода преобразование могло бы объяснить, почему мы не наблюдаем правильного количества частиц на Земле.
Четвертая Нобелевская премия
Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду за обнаружение массы нейтрино. Это была четвертая подобная награда, связанная с экспериментальными измерениями данных частиц. Кого-то, возможно, заинтересует вопрос о том, почему мы должны так беспокоиться о чем-то, что с трудом взаимодействует с обычной материей.
Сам факт того, что мы можем обнаружить эти эфемерные частицы, является свидетельством человеческой изобретательности. Поскольку правила квантовой механики вероятностны, мы знаем, что, несмотря на то что почти все нейтрино проходят сквозь Землю, некоторые из них будут с ней взаимодействовать. Детектор достаточно большого размера способен это зарегистрировать.
Первое подобное устройство было построено в шестидесятые годы глубоко в шахте в Южной Дакоте. Шахта была заполнена 400 тыс. л чистящей жидкости. В среднем одна частица нейтрино каждый день взаимодействует с атомом хлора, превращая его в аргон. Невероятно, но Раймонд Дэвис, отвечавший за детектор, придумал способ обнаружения этих нескольких атомов аргона, и четыре десятилетия спустя в 2002 году за этот удивительный технический подвиг он был удостоен Нобелевской премии.
Новая астрономия
Поскольку нейтрино так слабо взаимодействуют, они могут путешествовать на огромные расстояния. Они дают нам возможность заглянуть в места, которые иначе мы бы никогда не увидели. Нейтрино, обнаруженные Дэвисом, образовывались в результате ядерных реакций, которые проходили в самом центре Солнца, и смогли покинуть это невероятно плотное и горячее место только потому, что они почти не взаимодействуют с другой материей. Можно даже обнаружить нейтрино, летящее из центра взорвавшейся звезды на расстоянии более ста тысяч световых лет от Земли.
Кроме того, эти частицы позволяют наблюдать Вселенную в ее очень малых масштабах, намного меньших, чем те, в которые может заглянуть Большой адронный коллайдер в Женеве, обнаруживший Именно по этой причине Нобелевский комитет решил присудить Нобелевскую премию за открытие нейтрино еще одного типа.
Загадочная недостача
Когда Рэй Дэвис наблюдал солнечные нейтрино, он обнаружил лишь треть от ожидаемого их количества. Большинство физиков считало, что причиной этого является плохое знание астрофизики Солнца: возможно, модели недр светила переоценивали количество производимых в нем нейтрино. Тем не менее на протяжении многих лет, даже после того, как солнечные модели улучшились, дефицит сохранялся. Физики обратили внимание на другую возможность: проблема могла быть связана с нашими представлениями об этих частицах. В соответствии с превалировавшей тогда теорией они массой не обладали. Но некоторые физики утверждали, что на самом деле частицы имели бесконечно малую массу, и эта масса являлась причиной их нехватки.
Трехликая частица
Согласно теории осцилляции нейтрино, в природе существует три их различных типа. Если частица обладает массой, то по мере движения она может переходить из одного типа в другой. Три вида - электронный, мюонный и тау - при взаимодействии с веществом могут преобразовываться в соответствующую заряженную частицу (электрон, мюон или тау-лептон). «Осцилляция» происходит благодаря квантовой механике. Тип нейтрино не постоянен. Он меняется с течением времени. Нейтрино, начавшее свое существование как электронное, может превратиться в мюонное, а затем обратно. Таким образом, частица, образованная в ядре Солнца, по дороге к Земле может периодически превращаться в мюон-нейтрино и наоборот. Поскольку детектор Дэвиса мог обнаружить только электрон-нейтрино, способное привести к ядерной трансмутации хлора в аргон, то казалось возможным, что недостающие нейтрино превратились в другие типы. (Как оказалось, нейтрино осциллируют внутри Солнца, а не на пути к Земле).
Канадский эксперимент
Единственным способом проверить это было создание детектора, который работал для всех трех типов нейтрино. Начиная с 90-х годов Артур Макдональд из Королевского университета в Онтарио возглавлял команду, которая это осуществила в шахте в Садбери, Онтарио. Установка содержала тонны тяжелой воды, предоставленной в кредит правительством Канады. Тяжелая вода является редкой, но встречающейся в природе формой воды, в которой водород, содержащий один протон, заменен его более тяжелым изотопом дейтерием, который содержит протон и нейтрон. Канадское правительство складировало тяжелую воду, т. к. она используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Все три типа нейтрино могли разрушить дейтерий с образованием протона и нейтрона, а нейтроны затем подсчитывали. Детектор регистрировал примерно в три раза большее число частиц по сравнению с Дэвисом - именно то количество, которое предсказывалось лучшими моделями Солнца. Это позволило предположить, что электрон-нейтрино могут осциллировать в другие его типы.
Японский эксперимент
Примерно в то же время Такааки Кадзита из Университета Токио проводил еще один замечательный эксперимент. Детектор, установленный в шахте в Японии, регистрировал нейтрино, приходящие не из недр Солнца, а из верхних слоев атмосферы. При столкновении протонов космических лучей с атмосферой образовываются ливни других частиц, в том числе мюонные нейтрино. В шахте они превращали ядра водорода в мюоны. Детектор Кадзиты мог наблюдать частицы, приходящие в двух направлениях. Одни падали сверху, приходя из атмосферы, а другие двигались снизу. Число частиц было различным, что говорило о разной их природе - они находились в разных точках своих осцилляционных циклов.
Переворот в науке
Это все экзотично и удивительно, но почему осцилляции и массы нейтрино привлекают к себе столько внимания? Причина проста. В стандартной модели физики элементарных частиц, разрабатывавшейся на протяжении последних пятидесяти лет двадцатого века, которая правильно описывала все остальные наблюдения в ускорителях и других экспериментах, нейтрино должны были быть безмассовыми. Открытие массы нейтрино говорит о том, что чего-то не хватает. Стандартная модель не является полной. Недостающие элементы еще предстоит открыть - с помощью Большого адронного коллайдера или другой, еще не созданной машины.
Посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Результаты звучат сенсационно: скорость нейтрино оказалась слегка - но статистически достоверно! - больше скорости света. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределенностей, однако реакция подавляющего большинства физиков остается очень скептической, прежде всего потому, что такой результат не согласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.
|
Рис. 1. |
Подробности эксперимента
Идея эксперимента (см. OPERA experiment) очень проста. Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.
Расстояние между источником и детектором по прямой составляет примерно 730 км и измерено оно с точностью 20 см (точное расстояние между реперными точками составляет 730 534,61 ± 0,20 метров). Правда, процесс, приводящий к рождению нейтрино, вовсе не локализован с такой точностью. В ЦЕРНе пучок протонов высокой энергии вылетает из ускорителя SPS, сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней вторичные частицы, в том числе мезоны. Они по-прежнему летят вперед с околосветовой скоростью и на лету распадаются на мюоны с испусканием нейтрино. Мюоны тоже распадаются и порождают дополнительные нейтрино. Затем все частицы, кроме нейтрино, поглощаются в толще вещества, а те беспрепятственно долетают до места детектирования. Общая схема этой части эксперимента приведена на рис. 1.
Весь каскад, приводящий к появлению нейтринного пучка, может растянуться на сотни метров. Однако поскольку все частицы в этом сгустке летят вперед с околосветовой скоростью, для времени детектирования нет практически никакой разницы, родилось нейтрино сразу или через километр пути (однако имеет большое значение, когда именно тот исходный протон, который привел к рождению данного нейтрино, вылетел из ускорителя). В результате рожденные нейтрино по большому счету просто повторяют профиль исходного протонного пучка. Поэтому ключевым параметром здесь является именно временной профиль пучка протонов, вылетающих из ускорителя, в особенности - точное положение его переднего и заднего фронтов, а этот профиль измеряется с хорошим временны м разрешением (см. рис. 2).
Каждый сеанс сброса протонного пучка на мишень (по-английски такой сеанс называется spill , «выплеск») длится примерно 10 микросекунд и приводит к рождению огромного числа нейтрино. Однако практически все они пролетают Землю (и детектор) насквозь без взаимодействия. В тех же редких случаях, когда детектор всё-таки регистрирует нейтрино, невозможно сказать, в какой именно момент в течение 10-микросекундного интервала оно было испущено. Анализ можно провести лишь статистически, то есть накопить много случаев детектирования нейтрино и построить их распределение по временам относительно момента начала отсчета для каждого сеанса. В детекторе за начало отсчета принимается тот момент времени, когда условный сигнал, движущийся со скоростью света и излученный ровно в момент переднего фронта протонного пучка, достигает детектора. Точное измерение этого момента стало возможно благодаря синхронизации часов в двух лабораториях с точностью в несколько наносекунд.
На рис. 3 показан пример такого распределения. Черные точки - это реальные нейтринные данные, зарегистрированные детектором и просуммированные по большому числу сеансов. Красная кривая показывает условный «опорный» сигнал, который двигался бы со скоростью света. Видно, что данные начинаются примерно на 1048,5 нс раньше опорного сигнала. Это, впрочем, еще не означает, что нейтрино действительно на микросекунду опережает свет, а является лишь поводом для того, чтобы тщательно перемерить все длины кабелей, скорости срабатывания аппаратуры, времена задержки электроники и так далее. Эта перепроверка была выполнена, и оказалось, что она смещает «опорный» момент на 988 нс. Таким образом, получается, что нейтринный сигнал действительно обгоняет опорный, но лишь примерно на 60 наносекунд. В пересчете на скорость нейтрино это отвечает превышению скорости света примерно на 0,0025%.
Погрешность этого измерения была оценена авторами анализа в 10 наносекунд, что включает в себя и статистическую, и систематическую погрешности. Таким образом, авторы утверждают, что они «видят» сверхсветовое движение нейтрино на уровне статистической достоверности в шесть стандартных отклонений.
Отличие результатов от ожиданий на шесть стандартных отклонений уже достаточно велико и называется в физике элементарных частиц громким словом «открытие». Однако надо правильно понимать это число: оно лишь означает, что вероятность статистической флуктуации в данных очень мала, но не говорит о том, насколько надежна методика обработки данных и насколько хорошо физики учли все инструментальные погрешности. В конце концов, в физике элементарных частиц имеется немало примеров, когда необычные сигналы с исключительно большой статистической достоверностью не подтверждались другими экспериментами.
Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?
Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют «тахионы») скорость света тоже является пределом, но только снизу - они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.
Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы - это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион - это не частица, а нестабильность вакуума.
В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.
Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности - например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.
Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.
Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле «первой ласточкой»? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.
Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.
Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10–40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в «неправильную» сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была бы совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать «дважды-гипотетическую» модель.
Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка –(100 МэВ) 2 (отрицательный квадрат массы - это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино - тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.
Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.
Что дальше?
Во всех больших коллаборациях в физике элементарных частиц нормальной практикой является ситуация, когда каждый конкретный анализ выполняется небольшой группой участников, и лишь затем результаты выносятся на общее обсуждение. В данном случае, по-видимому, этот этап был слишком кратким, в результате чего далеко не все участники коллаборации согласились подставить свою подпись под статьей (полный список насчитывает 216 участников эксперимента, а у препринта имеется лишь 174 автора). Поэтому в ближайшее время, по всей видимости, внутри коллаборации будет проведено множество дополнительных проверок, и только после этого статья будет послана в печать.
Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.
Скорость света - одна из универсальных физических констант, она не зависит от выбора инерциальной системы отсчета и описывает свойства пространства-времени в целом. Скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду, и это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Так учат нас школьные книги по физике. Еще можно вспомнить о том, что масса тела как раз не является постоянной и при приближении скорости к скорости света стремится к бесконечности. Именно поэтому со скоростью света движутся фотоны - частицы без массы, а частицам с массой это значительно труднее.
Однако международный коллектив ученых масштабного эксперимента OPERA, расположенного недалеко от Рима, готов поспорить с азбучной истиной.
Ему удалось обнаружить нейтрино, которые, как показали эксперименты, движутся со скоростью больше скорости света, сообщает пресс-служба Европейской организации ядерных исследований (CERN).
Эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) изучает самые инертные частицы Вселенной - нейтрино. Они настолько инертны, что могут пролететь насквозь через весь Земной шар, звезды и планеты, а для того, чтобы они ударились в преграду из железа, размер этой преграды должен быть от Солнца до Юпитера. Каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 1014 нейтрино, испущенных Солнцем. Вероятность того, что хотя бы одно из них ударится в ткани человека на протяжении всей его жизни, стремится к нулю. По этим причинам регистрировать и изучать нейтрино чрезвычайно трудно. Лаборатории, которые этим занимаются, находятся глубоко под горами и даже подо льдами Антарктиды .
OPERA получает пучок нейтрино из CERN, где находится Большой адронный коллайдер. Его «младший брат» - суперпротонный синхротрон (SPS) - направляет пучок прямо под землей в сторону Рима. Получаемый пучок нейтрино проходит сквозь толщу земной коры, тем самым очищаясь от других частиц, которые вещество коры задерживает, и попадает прямиком в лабораторию в Гран-Сассо, укрытую под 1200 м скалы.
Подземный путь в 732 км нейтрино преодолевают за 2,5 миллисекунды.
Детектор проекта OPERA, состоящий из примерно 150 тысяч элементов и весящий 1300 т, «ловит» нейтрино и изучает их. В частности, основной целью является изучение так называемых нейтринных осцилляций - переходов из одного типа нейтрино в другой.
Ошеломляющие результаты о превышении скорости света подкреплены серьезной статистикой: лаборатория в Гран-Сассо наблюдала около 15 тыс. нейтрино. Ученые выяснили, что нейтрино движутся со скоростью, на 20 миллионных долей превышающей скорость света - «непогрешимый» предел скорости.
Этот результат стал для них неожиданностью, его объяснения пока не предложено. Естественно, для его опровержения или подтверждения требуются независимые эксперименты, проведенные другими группами на другом оборудовании, - этот принцип «двойного слепого контроля» реализован и на Большом адронном коллайдере CERN. Коллаборация OPERA незамедлительно опубликовала свои результаты, чтобы дать возможность коллегам по всему миру проверить их. Детальное описание работ доступно на сайте препринтов Arxiv.Org
«Эти данные стали полной неожиданностью. После месяцев сбора, анализа и очистки данных, а также перекрестных проверок мы не нашли ни в алгоритме обработке данных, ни в детекторе возможного источника системной ошибки. Поэтому мы публикуем наши результаты, продолжаем работу, а также надеемся, что независимые измерения других групп помогут понять природу этого наблюдения», - заявил руководитель эксперимента OPERA Антонио Эредитато из Университета Берна, слова которого приводит пресс-служба CERN.
«Когда ученые-экспериментаторы обнаруживают некий неправдоподобный результат и не могут найти артефакта, который бы его объяснял, они обращаются к своим коллегам из других групп, чтобы началось более широкое исследование вопроса. Это хорошая научная традиция, и коллаборация OPERA сейчас следует ей.
Если наблюдения превышения скорости света подтвердятся, это может изменить наше понимание физики, но мы должны удостовериться в том, что они не имеют другого, более банального объяснения. Для этого и нужны независимые эксперименты», - заявил научный директор CERN Серджо Бертолуччи.
Проводимые в OPERA измерения чрезвычайно точны. Так, расстояние от точки пуска нейтрино до точки их регистрации (более 730 км) известно с точностью до 20 см, а время пролета измеряется с точностью до 10 наносекунд.
Эксперимент OPERA работает с 2006 года. В нем принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.
Повторные эксперименты с нейтрино, проведенные в ноябре, подтвердили превышение скорости света.
Глава лаборатории элементарных частиц Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) Наталья Полухина, которая входит в состав команды OPERA, сообщила Агентству РИА Новости, что после проведения повторных экспериментов выяснилось, что 730 км между ускорителем и детектором частицы преодолевали на 57 наносекунд быстрее скорости света: «Известны результаты проверки, коллаборация и независимые эксперты проверяли все очень тщательно, был специально организован дополнительный пучок нейтрино из ЦЕРНа, результат остался практически тем же – не 60, а 57 наносекунд».
Небольшой экскурс в историю этого довольно странного названия – «нейтрино».
Когда эта частица впервые появилась в физике, ученые уже твердо знали, что существуют такие элементарные частицы, как нейтроны и протоны – «кирпичики», составляющие атомное ядро. Нейтрон не имеет электрического заряда, и по этой причине он получил такое название.
В 1931 г. известный швейцарский физик Вольфганг Паули по причинам, которые я объясню ниже, пришел к выводу, что в природе должна существовать еще одна нейтральная частица с массой, намного меньшей, чем у нейтрона, как он говорил, «маленький нейтрон». Когда он излагал эту идею с трибуны одного международного научного совещания, итальянский физик Энрико Ферми перебил его словами:
Называйте его «нейтрино»!
Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание «ино» соответствует русским суффиксам «чик» или «ушк». Так что нейтрино в переводе с итальянского будет означать «маленький нейтральный», или просто «нейтрончик».
Подожди, Сэнсэй, что значит в значительной степени проявляется Аллат?! Я что-то не совсем понял,- проговорил Николай Андреевич.
Видишь ли. Нейтрино в значительной степени отличается от других так называемых элементарных частиц. Во-первых, нейтрино может иметь массу, а может не иметь. Может взаимодействовать с гравитационным полем, с теми же магнитными или электромагнитными полями, а может, и нет. Более того, нейтрино способно перемещаться со скоростью света, но в отличие от него может замедляться и менять свою траекторию. И, пожалуй, самые фантастические с позиции современной физики возможности нейтрино заключаются в его способности мгновенно перемещаться на неограниченные расстояния.
Это как? - спросил Женя.
Элементарно. Взаимодействуя с гравитационным полем, нейтрино переходит из одного состояния в другое. Скажем так, из состояния частицы в состояние энергии со строго определённой частотой, при этом «возбуждая» гравитационное поле, к примеру, в определённой точке нашей солнечной системы, оно вызывает ответное возбуждение в определённой точке гравитационного поля в другой галактике. И таким образом, без потери времени и независимо от пространства, нейтрино исчезает здесь и сейчас и появляется там и сейчас. Как говорят физики, образует «червоточину» во времени и пространстве.
Вот это да! - вырвались возгласы ребят.
Используя естественные, вернее, физические свойства нейтрино, люди также смогут преодолевать любые расстояния без потери времени и минимуме энергозатрат.
Ну, если честно, то звучит как фантастика, - скептически заметил Николай Андреевич.
Ну, если честно, - Сэнсэй сделал акцент на первых словах, - то ещё сто лет назад атомная бомба тоже была фантастикой… А что касается нейтрино, то я скажу даже больше: не было бы нейтрино, то не было бы жизни. Нейтрино играет колоссальную роль в образовании видимого вами мира. И кстати имеет, так же как и Аллат, цельную единицу времени - 11 минут 56,74 секунд.
- Анастасия НОВЫХ Эзоосмос
