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: |
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.
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.
23 сентября 2011 года из Италии пришла удивительная новость - мюонные нейтрино, возникающие при распаде мезонов, движутся быстрее света. Эта новость является удивительной для любого сколь-нибудь образованного человека, ведь он знает - теория относительности Эйнштейна запрещает двигаться чему-либо так быстро. Как оказалось, революции в физике пока не произошло, но сам факт ее теоретической возможности и ненулевой вероятности заслуживает отдельного рассказа.
Кто вы, мистер нейтрино?
В 1914 году английский физик Джеймс Чедвик, изучая бета-распад (это когда ядро некоторого элемента неожиданно излучает электрон или позитрон), обнаружил интересный и пугающий факт - энергия получившегося в результате распада ядра меньше расчетной. Несколько десятилетий эта проблема мешала физикам жить, ведь закон сохранения энергии - вещь совершенно фундаментальная. Дошло до, казалось бы, абсурда - какое-то время сам Нильс Бор, классик квантовой механики, готов был признать, что закон сохранения в микромире не обязан выполняться, поскольку тому нет "ни экспериментальных, ни теоретических доказательств".
В 1930 году Вольфганг Паули, скрепя сердце, решился ввести новую частицу. "Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому что, если бы нейтрино существовало, оно было бы давно открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает. Поэтому мы должны серьезным образом обсуждать любой путь к спасению", - написал он в своем знаменитом письме к Тюбингенскому научному конгрессу (тогда физики еще болезненно воспринимали необходимость введения новых частиц).
Полученную частицу окрестили нейтроном, поскольку она имела нулевой электрический заряд. Тут случился забавный казус - в 1932 году Чедвик открыл нейтральную частицу, которую тоже назвал нейтроном. Из-за этого, когда через два года Энрико Ферми представил уже полноценную теорию бета-распада (тогда уже было понятно, что нейтрон Паули и нейтрон Чедвика совсем разные), ему потребовалось переименовать придуманную Паули частицу. Он и стал автором термина "нейтрино", что можно перевести как "нейтрончик".
Младший брат нейтрона хоть и спас закон сохранения энергии (а также, как выяснилось чуть позже, законы сохранения импульса и момента количества движения), но оказался частицей довольно неприятной. Во-первых, выяснилось, что он очень неохотно взаимодействует с материей - при энергиях в 3-10 мегаэлектронвольт длина свободного пробега частицы составляет порядка 100 световых лет. Кроме этого, оказалось, что Солнце просто-таки бомбит нашу планету нейтрино - через площадку в 1 квадратный сантиметр за секунду проходит порядка 100 миллиардов нейтрино, - однако мы этого не замечаем.
В 1960-е годы выяснилось, что существует несколько типов нейтрино (за экспериментальное подтверждение этого факта Леон Ледерман, Мэдвин Шварц и Джек Стейнбергер в 1988 году получили Нобелевскую премию по физике). В частности, они обнаружили, что есть электронные нейтрино, а есть и мюонные, возникающие при распаде пи-мезонов.
Скоро сказка сказывается, но не скоро дело делается - в начале 2000-х ученые уже знали про нейтрино много, но при этом, правда, большая часть информации была получена экспериментально. С точки зрения теории, нейтрино было и остается крепким орешком - часто на один и тот же вопрос разные теоретические предпосылки давали и дают диаметрально противоположные ответы. Еще одной трудностью в изучении данных частиц являются масштабы детекторов, которые необходимо строить (об этом, впрочем, чуть ниже).
Как бы то ни было, но на настоящий момент известно, что всего есть три поколения нейтрино - тау, мюонные и электронные. У каждой частицы есть ее антипод - антинейтрино соответствующего поколения. Выяснилось, что нейтрино - непостоянная частица, поэтому во время движения осциллирует, то есть может превращаться из частицы одного поколения в частицу другого. Из этого непосредственно вытекает (здесь мы, конечно, опускаем пять - десять страниц вычислений и кучу научных работ), что масса покоя у этой частицы ненулевая - до недавнего времени, кстати, физики были в этом совсем не уверены. Более того, уже упоминавшийся Паули, по сути папа нейтрончика, считал этот параметр нулевым.
В последние годы нейтрино часто попадали в новости как частицы, которые просто никак не хотят укладываться в стандартную модель. Например, в 2010 году ученые, работающие с экспериментом MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search - поиск нейтринных осцилляций с использованием главного инжектора) в Миннесоте, объявили, что им удалось найти различия у нейтрино и антинейтрино. Так, оказалось, что процесс осцилляции для этих двух видов , а квадраты разности масс разных поколений в одном из случаев оказались на 40 процентов меньше для антинейтрино, чем для нейтрино (понятное дело, что с точки зрения современной теории элементарных частиц это просто недопустимо). В 2011 году японский детектор T2K, который ловит нейтрино, испускаемые ускорителем в комплексе J-PARC, зарегистрировал ранее неизвестный тип осцилляции - мюонные нейтрино превращались в электронные (хотя могут только в тау) - что тоже стало для большинства физиков полной неожиданностью.
Понятное дело, что все эти трудности не выходили за рамки физики элементарных частиц - в упомянутых случаях, между прочим, физики ограничились докладами, так и не сделав по собранным данным работ, ссылаясь на "недостаточную статистическую достоверность результатов". Но, вероятно, нейтринные странности копились слишком долго, и гром грянул 23 сентября 2011 года.
Быстрее света
Именно в этот день мир облетела новость от ученых, работающих с детектором OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus - проект по изучению нейтринных осцилляций, использующий анализ эмульсионных пленок) - кстати, тем самым детектором, на котором в 2010 году впервые напрямую удалось зарегистрировать факт пресловутых нейтринных осцилляций. Изучая отличие скорости нейтрино от скорости света, они обнаружили, что мюонные нейтрино не только не отстают от света, как положено с точки зрения теории относительности массивным частицам, но и обгоняют его!
Тут необходимо понимать две вещи. Во-первых, в теоретических расчетах сверхсветовые скорости получаются сплошь и рядом. В Википедии есть несколько неплохих примеров - особенно впечатляет, что, когда крутишь головой, в системе координат, связанной с ней, Луна движется быстрее скорости света. При этом общий консенсус при объяснении таких феноменов довольно прост: подобные процессы не позволяют передавать информацию, а, значит, вполне допустимы.
Во-вторых, скепсис к новому открытию подогревала и подача материала новостными агентствами. Вот, например, как это преподнесли "Вести" . В сюжете фигурировали фразы наподобие "Европейские ученые растерянно пожимают плечами и думают, а что дальше-то делать? ", "Ученые не поверили своим собственным данным и кинулись все перепроверять, но получили тот же результат" и совершенно фантастическое "теория относительности в этом случае летит в тартарары". После этого, понятное дело, возникает мысль о том, что ученых снова не так поняли.
Вместе с тем ситуация оказалась намного серьезнее. В архиве препринтов Корнельского университета с подробным изложением результатов экспериментов. В ней, среди прочего, говорится, что в рамках эксперимента ученым удалось зарегистрировать 16111 событий, когда нейтрино приходили раньше расчетного времени. Статистический анализ позволил установить, что в среднем скорость мюонного нейтрино превышает скорость света на 0,00248 процента. Надо сказать, что это не первое заявление подобного рода - в 2007 году MINOS обнаружил, что нейтрино от ускорителя в лаборатории Ферми приходят чуть раньше, чем нужно (тогда, правда, ученые посчитали это ошибкой в измерениях).
В распространенном по случаю появления статьи пресс-релизе говорится, что авторы работы понимают все последствия, которые несет их заявление, поэтому не намерены публиковать работу в рецензируемом журнале до тех пор, пока у их результата не появится независимое подтверждение. В частности, именно MINOS мог бы подтвердить результаты итальянского детектора. При этом, как говорит Антонио Эредитато, представитель коллаборации OPERA (в ней принимают участие 160 ученых из разных стран, включая Россию), эксперимент ученых устроен достаточно просто: "Мы измеряем расстояние, измеряем время и делим одно на другое - так же, как делается в школе".
На самом деле, конечно, Эридитато лукавит. Сначала в суперпротонном синхротроне (SPS), что расположен в CERN на границе Франции и Швейцарии и обычно используется для предварительного разгона пучков для Большого адронного коллайдера, каждые шесть секунд протоны бомбят графитовую мишень. В результате этого возникают мезоны, которые в полете начинают распадаться с выделением мюонных нейтрино (для этого частицам предоставлен туннель длиной в один километр). Полученные частицы пролетают 730 километров (расстояние измеряется с точностью до 20 сантиметров), пересекая несколько государственных границ, и оказываются в Италии, где их уже ждут в Национальной лаборатории Гран-Сассо .
Здесь, под толщей горных пород в 1,4 километра (при этом, кстати, комплекс почти на километр выше уровня моря), располагается крупнейшая в мире лаборатория по изучению элементарных частиц. Подобное расположение позволяет свести к минимуму фон, создаваемый элементарными частицами из космоса и земных недр. Здесь частицы регистрируются при помощи детектора, состоящего из 150 тысяч фотоэмульсионных пластин, свинцовых прослоек толщиной около миллиметра и магнитного спектрографа.
Понятное дело, что образование нейтрино завязано на вероятности, поэтому ученые получали некоторое статистическое распределение. Главным достижением ученых была невероятно точная синхронизация (порядка 10 наносекунд) часов в CERN и в Италии. Для этого, в частности, ученые привлекли специалистов из CERN и METAS (это швейцарские метрологи). Открытию посвятили пресс-конференцию, которую транслировали в интернет прямо из CERN вечером 23 сентября 2011 года.
Возможные объяснения
Самым популярным пока объяснением обнаруженного феномена называют систематическую ошибку в измерениях. "Эти результаты - следствие систематической ошибки в измерениях. Я бы не стал клясться женой и детьми - им это не понравится, но могу поклясться собственным домом", - приводит ScienceNOW слова Чен Кен Джуна, физика из Университета Стоуни-Брук.
Другие ученые не столь оригинальны в своих высказываниях, однако тоже отмечают, что результат итальянского детектора - не первая попытка опровергнуть постулат Эйнштейна о предельности скорости света. Вместе с тем во всех работах подобного рода рано или поздно обнаруживались ошибки. Стало быть, обнаружатся они и в этой работе. Некоторые исследователи отмечают, что данный результат может служить подтверждением экзотических физических теорий, которые, например, предполагают наличие дополнительных измерений (как именно связана высокая скорость нейтрино с подобными теориями, не уточняется).
Наконец, самый простой вариант заключается в том, что гравитация Эйнштейна требует каких-нибудь поправок. В частности, например, есть вариант нарушения лоренц-инвариантности нейтринных осцилляций (в похожем направлении работают физики по всему миру, пытаясь, в частности, включить в Стандартную Модель тахионы - частицы, изначально движущиеся со скоростью, большей скорости света). Адепты такого рода теорий вполне могут оказаться теми самыми физиками, которым удалось "заглянуть" в будущее.
В общем, неважно, кто окажется прав - главное, чтобы открытие ученых не оказалось досадной систематической ошибкой. Ведь это будет означать настоящую революцию в физике, а это всегда очень здорово.
