Кілька слів про сверхсветових нейтрино

Наприкінці минулого тижня колаборація OPERA опублікувала результати експерименту, в якому вимірювана швидкість руху нейтрино перевищила швидкість світла у вакуумі. Фізики, на відміну від ЗМІ, коментували ці сенсаційні дані дуже обережно, висловлюючи сумніви в їх справжності. Ми спробуємо виділити основні проблеми, на які вказують скептики.

Варто відразу сказати, що серйозних питань щодо похибки вимірювань відстані та часу поки не виникало. Вчені, як передбачається, дійсно зуміли синхронізувати відлік часу в лабораторії Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН), де змонтований джерело нейтрино, і підземної Національній лабораторії Гран-Сассо з розташованим в ній детектором, а також оцінили довжину відрізка прямої, що з’єднує дві установки з точністю до 20 див.

Турбує фізиків інше — OPERA використовується метод оцінки швидкості. Хоча в інтерв’ю ScienceNOW представник колаборації Антоніо Ередітато (Antonio Ereditato) і заявляв, що швидкість обчислюється очевидним «шкільним» способом, тобто діленням виміряної відстані на виміряний час, він трохи лукавив: насправді все не так просто.

По-перше, точно визначити відстань, пройдена нейтрино, неможливо, про що самі автори роботи згадують в підготовленому ними препринте. Усунути цей недолік не дозволяє схема отримання нейтрино, в якій задіяний суперпротонный синхротрон ЦЕРН, подає розігнані протони на графітову мішень. Тут народжуються півонії і каоны, які потім направляються в кілометровий тунель. У якийсь момент польоту вони розпадаються з утворенням нейтрино, причому цей момент залишається невідомим; на щастя, півонії і каоны також летять зі швидкістю, близькою до світлової, і успішно «підміняють» нейтрино на своїй ділянці шляху, не вносячи суттєвої похибки.

Чорним показано розподіл зазначених нейтринних подій з часу реєстрації, а червоним — умовний сигнал, який поширюється зі швидкістю світла у вакуумі. Добре видно, що реальний сигнал приходить приблизно на 1 000 нс раніше; коли цей зсув вводять штучно (див. праве верхнє зображення), спостерігається добре узгодження. При обліку відомих ефектів згаданий інтервал в тисячу з гаком наносекунд скорочується до 60,7 нс, що називають тим часом, на яке нейтрино випереджають світло. У нижній частині рисунка показано передній і задній фронти розподілу. (Ілюстрація OPERA Collaboration.)

По-друге, фізики не мають можливості співвіднести нейтрино, провзаимодействовавшее в детекторі OPERA, з протоном, який породив зареєстровану частину. Цей недолік експерименту вносить помітні корективи в методику: оскільки тривалість кожного сеансу виведення протонів на мішень (по мірках дослідження, орієнтованого на наносекундні величини) величезна і становить 10,5 мкс, вченим доводиться розглядати не окремі події, зазначені детектором, а їх сукупність, і порівнювати (див. рис. вище) виміряний розподіл моментів реєстрації безлічі нейтрино з очікуваним розподілом. Останнім розраховується за відомим тимчасовим характеристикам пучка протонів, які визначає окремий детектор, змонтований у 743 м перед мішенню.

Хоча виявити серйозну помилку в міркуваннях авторів нікому поки не вдалося, описаний спосіб обробки даних багатьом здається ненадійним. Приміром, російський фізик Ігор Іванов у своєму блозі звертає увагу на те, що співробітники OPERA з якоїсь причини не реалізували всі можливості обраної методики: поєднуючи розподіл нейтрино з часів приходу, яке має трапецієподібну форму з різкими переднім і заднім фронтами і широким серединним плато з невеликими коливаннями, з очікуваним профілем, вони орієнтуються в основному на круті фронти. При цьому інтенсивність пучка протонів, контрольована перед мішенню, має, крім чітких фронтів, характерні флуктуації, добре помітні на малюнку нижче. На думку пана Іванова, відповідні флуктуацій сплески всередині трапецієподібного сигналу можна було б використовувати при аналізі для підвищення точності.

Інтенсивність протонного пучка, що видається суперпротонным синхротроном (ілюстрація OPERA Collaboration).

Говорячи про своє настороженому ставленні до нових результатів, фахівці також вказують на величезний розрив між вимірами OPERA та іншими експериментальними даними спостереженнями наднової SN 1987A. Відомо, що приблизно за три години до того, як видиме світло спалаху наднової досяг Землі, три нейтринні обсерваторії зареєстрували перевищення звичайного фонового потоку. Найімовірніше, нейтрино і фотони просто випромінювались в різні моменти часу, але навіть в припущенні про сверхсветових нейтрино величина (v – с)/с — відносна різниця швидкостей нейтрино і світла у вакуумі не повинна перевищувати 2•10-9. Незважаючи на те, що часовий зсув здається дуже значним, різниця швидкостей виходить нікчемним, так як вибух стався на відстані 168 000 світлових років від Землі.

Розрахунки колаборації OPERA, нагадаємо, дають (v – з)/з = [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10-5 — значення, на чотири порядки перевищує встановлену межу; якщо б нейтрино, випущені SN 1987A, рухалися з такою швидкістю, вони прийшли б набагато раніше. Це очевидна розбіжність можна було б списати на те, що частинки від SN 1987A, енергія яких вимірювалася десятками мегаелектронвольт, і нейтрино OPERA з середньою енергією в 17 Гев знаходяться, так би мовити, у різних вагових категоріях, але тоді теоретикам довелося б вводити надзвичайно сильну залежність швидкості нейтрино від енергії. У самому експерименті OPERA ніяких ознак такої залежності виявлено не було, хоча фізики пробували розділяти дані на два приблизно рівних за обсягом масиву, що містять зареєстровані нейтрино з енергіями нижче і вище 20 Гев. В низько енергетичною вибірці величина t (різниця часів проходження дистанції, одне з яких розраховується для світла у вакуумі, а інше — вимірюється дослідним шляхом для нейтрино) виявилася дорівнює 53,1 ± 18,8 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс, а в високоенергетичної — 67,1 ± 18,2 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс. Встановити яку-небудь залежність від енергії тут неможливо.

Всі ці міркування, зрозуміло, не зупинили теоретиків, вже давно вивчають можливість існування частинок (тахионов), які рухаються зі сверхсветовой швидкістю. Перші чернетки, истолковывающие дані OPERA, з’явилися на сайті arXiv ще вчора. Однією з найбільш цікавих здається робота німецького фізика Франса Клинкхамера (Frans Klinkhamer) з Технологічного інституту Карлсруе, який зберіг дію принципу причинності у своїй моделі, але поступився лоренц-інваріантністю.

Підготовлено за матеріалами блогів Resonaances, viXra, The Reference Frame.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *