IT-Day

Информационные технологии сегодня

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Новости Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино

Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино

E-mail Печать PDF
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Рис. 1. Общий вид той части ЦЕРНа, где протонный пучок выводится из ускорителя SPS и порождает нейтринный пучок, летящий в направлении лаборатории Гран-Сассо. Изображение из обсуждаемой статьи

В пятницу 23 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, 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.

 

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 временным разрешением (см. рис. 2).

Рис. 2. Типичный профиль интенсивности протонного пучка, вылетающего из ускорителя SPS. Справа показана наносекундная структура пучка. Время на этом графике «течет» слева направо. Изображение из обсуждаемой статьи
Рис. 2. Типичный профиль интенсивности протонного пучка, вылетающего из ускорителя SPS. Справа показана наносекундная структура пучка. Время на этом графике «течет» слева направо. Изображение из обсуждаемой статьи

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.

Рис. 3. Распределение моментов регистрации нейтрино относительно условного начала отсчета. По горизонтальной оси показано время в наносекундах, по вертикальной — количество нейтринных событий с такой задержкой по времени. Красная линия показывает гипотетический «опорный» сигнал. Изображение из обсуждаемой статьи
Рис. 3. Распределение моментов регистрации нейтрино относительно условного начала отсчета. По горизонтальной оси показано время в наносекундах, по вертикальной — количество нейтринных событий с такой задержкой по времени. Красная линия показывает гипотетический «опорный» сигнал. Изображение из обсуждаемой статьи

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.

Источники:

Игорь Иванов, Элементы

 

Нейтрино перемещаются со сверхсветовой скоростью

image


Перевод интервью, которое пресс-атташе ЦЕРНа Джеймс Джилли (James Gillies) дал корреспонденту радио Свобода/радио Свободная Европа Рону Синовицу (Ron Synovitz). Оригинал смотрите здесь. Картинка — с сайта BBC.

Радио Свобода (РС): Вы сказали, что даже учёные из ЦЕРНа, принимавшие участие в эксперименте, с трудом могут поверить в результаты своих наблюдений. Почему?

Джилли: Такие вещи часто случаются в науке. Эксперимент показывает нечто необычное и первое, что вы говорите: «Я в это не верю». Потом вы пытаетесь найти объяснение в несовершенстве вашей аппаратуры, вашего анализа, используемых методов и т.п. Как правило, в конце концов, вы находите вполне прозаическое объяснение, которое аннулирует эти результаты. Но иногда вы не можете найти такого объяснения. Именно это и произошло сейчас. Учёные приложили все усилия, чтобы найти объяснение, связанное с несовершенством аппаратуры, и не смогли этого сделать. Следующий шаг, который только что был сделан, — представить эти результаты на суд сообщества физиков, занимающихся элементарными частицами.

РС: Если это открытие будет подтверждено, и другие учёные независимо удостоверят, что нейтрино действительно передвигаются со скоростью, превышающей скорость света, какое влияние это может оказать на физику?

Джилли: Теория относительности выдерживает испытание временем уже около ста лет. И это не значит, что её не проверяли. Учёные проверяли и перепроверяли, измеряли, проводили эксперименты и делали наблюдения в течение долгого времени, и до сих пор ничто не указывало, что этот предел скорости может быть превзойдён. Так что нынешний эксперимент противоречит всему сделанному до этого. Это не означает, что он проведён неправильно. Но в научном сообществе существует очень сильное ощущение, что должно быть какое-то другое объяснение.

РС: Можете ли вы объяснить в научных терминах, что почему проведённый учёными из ЦЕРНа эксперимент означает революцию в физике?

Джилли: Современная физика базируется на двух теориях, возникших в начале XX столетия — теории относительности и квантовой механике. Относительность включают теорию гравитации. Не существует квантовой теории гравитации.

Попытка совместить эти две теории является одной из самых главных, может быть, самой главной целью современной физики. Обнаружение фактов, подобных нынешнему, может помочь в этом. Но прежде всего мы должны удостовериться, что эти результаты соответствуют действительности.

РС: Можете ли вы рассказать подробнее о том, как проводидись эксперименты в ЦЕРНе?

Джилли: Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что существует предел скорости во вселенной, равный скорости света. Ничто не может передвигаться быстрее. В данном эксперименте измерялось время, за которое пучок нейтрино преодолевал расстояние в 732 километра под землёй между ЦЕРНом и подземным уловителем частиц, расположенном в Гран Сассо в Италии. Свет проходит это расстояние примерно за 2,4 миллисекунды. Результаты измерений показывают, что нейтрино приходят раньше этого времени. Чуть-чуть раньше — на 20 миллионных долей этого времени, но тем не менее — раньше.

Если это действительно так, то это действительно ошеломляюще революционный результат для физики. Именно поэтому мы должны быть чрезвычайно осторожными, прежде чем бурно радоваться и заявлять, что Эйнштейн ошибался. Мы пытаемся разобраться в этом результате и ждём результатов независимых измерений, прежде чем можно будет делать какие-то определённые выводы о значении полученных фактов.

РС: Вы упомянули об используемых в эксперименте подземных детекторах. Проходит ли пучок нейтрино через какие-то туннели или другую подземную инфраструктуру, что позволяет ему вести себя подобно лучу света?

Джилли: Это не луч света. Это элементарные частицы, называемые нейтрино. Нейтрино — крошечные частицы, очень важные для объяснения поведения вселенной, потому что они вездесущи. Они присутствуют везде, наводняют собой вселенную. Нейтрино очень малы, и их очень трудно обнаружить, потому что они очень слабо взаимодействуют с другими элементарными частицами. Мы постоянно омываемся потоком нейтрино из космоса, значительное число которых порождено Солнцем, и большая часть этих нейтрино проходит прямо через Землю без всякого взаимодействия.

Мы пытаемся понять природу этих частиц, для этого и предназначены подобные эксперименты. Поскольку нейтрино проходят через землю без всякого взаимодействия, лабораториям, подобным Fermilab и ЦЕРНу, довольно несложно сгенерировать пучки нейтрино и послать их в землю. Что мы и делаем. Они проходят сквозь землю и возникают на детекторе, в данном случае, расположенном на расстоянии 732 километров. Никаких туннелей там нет. Нейтрино в буквальном смысле проходят сквозь землю.

РС: В 2007 году похожие результаты с нейтрино, перемещающимися быстрее скорости света, были получены исследователями в лаборатории Fermilab в Чикаго. Чем отличается ваше исследование?

Джилли: Те результаты тоже очень интересны. Fermilab провёл похожий эксперимент. Они послали пучок нейтрино на север в направлении подземного уловителя, находившегося примерно на таком же расстоянии. Они сделали то же самое — измерили время и обнаружили, что нейтрино приходят немного раньше ожидаемого времени. Но точность их эксперимента не была столь высокой, как в эксперименте ЦЕРНа, поэтому они не могли делать какие-то уверенные заявления. Сейчас они пытаются модернизировать своё оборудование, чтобы оно могло делать более точные измерения. И мы ждём этого с нетерпением.

РС: Как вы думаете, сколько времени пройдёт, прежде чем независимые исследования смогут подтвердить или опровергнуть, что нейтрино перемещаются со скоростью, превышающей скорость света?

Джилли: Я думаю, что на это уйдут месяцы и, возможно, даже годы. Мы посылаем огромное количество нейтрино сквозь землю, но поскольку они слабо взаимодействуют, вы должны ждать долгое время. Только когда вы пошлёте их очень много, вам удастся засечь некоторое число взаимодействий. В наших экспериментах мы собирали данные на протяжении трёх лет. Так что прежде чем мы увидим независимое опровержение или подтверждение нашего результата, пройдёт довольно долгое время.

Источник: Habrahabr.ru

 

Голосования

Какая соцсеть станет лучшей в 2012 году?
 

Подписаться на RSS

Новости Новости

Login Register





Войти
Register


Последние новости

Орбиту МКС скорректируют в январе 2017 года

Центр управления полетами в подмосковном Королеве очередной раз скорректирует орбиту Международной космической... 07 November 2016 Подробнее...

В РКК "Энергия" начали отрабатывать действия космонавтов на Луне

Специалисты РКК "Энергия" начали серию экспериментов по отработке действий человека на Луне с использованием... 19 September 2016 Подробнее...
Северное полушарие Сатурна

Северное полушарие Сатурна

Этот обалденный снимок газового гиганта был сделан широкоугольной камерой космического аппарата «Кассини» 25... 17 September 2016 Подробнее...

США официально запретили продажу Samsung Galaxy Note 7

Американские регуляторы издали официальный запрет на продажу смартфона Samsung Galaxy Note 7 из-за риска взрыва батареи,... 16 September 2016 Подробнее...

Мессенджер WhatsApp передаст Facebook телефоны пользователей

Мессенджер WhatsApp передаст телефоны пользователей соцсети Facebook, что станет первым изменением его политики конфиденциальности... 26 August 2016 Подробнее...

В РКК "Энергия" рассказали о полете корабля "Союз" к Луне

Пилотируемый полет к Луне не потребует дополнительной радиационной защиты для корабля "Союз", заявил журналистам... 26 August 2016 Подробнее...

Ученые нашли состоящую из темной материи галактику

Открытая галактика "Стрекоза 44" находится от нас в 330 млн световых лет и на 99,99% состоит из темной материи 26 August 2016 Подробнее...

Орбиту МКС подняли на 2,3 км для возвращения космонавтов и старта "Союза"

В соответствии с программой полёта Международной космической станции (МКС) 24 августа 2016 года проведена плановая... 24 August 2016 Подробнее...
Обнаружена одна из самых далёких нейтронных звёзд Млечного Пути

Обнаружена одна из самых далёких нейтронных звёзд Млечного Пути

    Группа исследователей, в число которых входят сотрудники ИКИ РАН, измерила расстояние до рентгеновского пульсара... 24 August 2016 Подробнее...
Скульптура "Ходячий череп"

Скульптура "Ходячий череп"

  Японский инженер Ямамото Накаджима сделал прелюбопытнейшую скульптуру - ходячий человеческий череп. Выглядит... 09 August 2016 Подробнее...

Статистика

ОС : Linux c
PHP : 5.3.29
MySQL : 5.6.33-cll-lve
Время : 09:09
Кеш : Выключен
GZIP : Выключен
Пользователи : 5851
Статьи : 372
Ссылки : 6
Просмотры материалов : 4652183