MOSCOVA, 8 iunie - RIA Novosti. Oamenii de știință care lucrează în proiectul de neutrini OPERA, după o serie de experimente, au infirmat în cele din urmă datele pe care le obținuseră anterior despre capacitatea particulei elementare de neutrin de a se mișca mai repede decât viteza luminii - cea mai mare senzație științifică din ultimii ani nici măcar nu a trăit. un an, unul dintre participanții la experiment, un angajat al Institutului Comun de Cercetare Nucleară, a declarat pentru RIA Novosti (JINR) Yuri Gornushkin.
Experimentul OPERA cu neutrini a intrat în centrul atenției în mass-media la sfârșitul lunii septembrie 2011, când oamenii de știință din acest grup. Oamenii de știință estimează că neutrinii au călătorit cu 730 de kilometri de la acceleratorul SPS de la CERN până la detectorul subteran OPERA de la laboratorul italian Gran Sasso, în medie, cu 60 de nanosecunde mai repede decât s-a calculat.
Cu toate acestea, membrii colaborării OPERA au raportat ulterior că au descoperit o eroare tehnică care ar putea duce la apariția unor date despre depășirea vitezei luminii. Colaborarea a decis să retesteze aceste rezultate în luna mai.
Sfârșitul senzației
După cum a declarat Yuri Gornushkin, șeful grupului de participanți la experimentul OPERA de la Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR), pentru RIA Novosti, un raport despre rezultatele acestui control a fost prezentat la conferința Neutrino 2012 din orașul japonez Kyoto. vineri.
"Experimentul a fost repetat la sfarsitul anului trecut si in luna mai a acestui an in conditii speciale, cu pulsuri de neutrini foarte scurte de la acceleratorul CERN, interpretarea rezultatelor fiind complet lipsita de ambiguitate. Conform ultimelor date, se confirma ca viteza neutrinului coincide cu viteza luminii cu o bună acuratețe și „Astfel, eroarea declarațiilor senzaționale de anul trecut este în sfârșit dovedită”, a spus Gornushkin.
Testele de viteză a neutrinilor efectuate de OPERA, precum și alte trei experimente cu neutrini bazate la Gran Sasso - Borexino, LVD și ICARUS - nu au arătat abateri semnificative de la viteza luminii.
În special, abaterea timpului de sosire a neutrinilor de la cea așteptată măsurată de OPERA a fost de numai 1,6 nanosecunde. În acest caz, eroarea statistică este de plus sau minus 1,1 nanosecunde, iar eroarea sistematică este de până la 6,1 nanosecunde. Rezultatul ICARUS este de 5,1 nanosecunde cu o eroare totală plus sau minus 6,6 nanosecunde, Borexino - 2,7 nanosecunde plus sau minus 4,2 nanosecunde, LVD - 2,9 nanosecunde plus sau minus 3,6 nanosecunde.
Nu am verificat conectorul
Vorbitorul, Marcos Dracos de la Institutul Francez de Studii Interdisciplinare (IPHC), a vorbit și despre motivele erorii.
Sursa de neutrini superluminali s-a dovedit a fi un conector prost introdus al cablului optic între antena GPS externă și unitatea din sistemul de achiziție de date al instalației, care este responsabilă de sincronizarea ceasului intern al instalației și a ceasului la CERN, unde momentul în care neutrinul a început să se miște a fost determinat.
„Acest lucru a făcut ca ceasul intern să se grăbească, ceea ce a dus la falsa impresie că neutrinii sosesc mai devreme decât dacă ar călători cu viteza luminii”, a spus Gornushkin.
Potrivit acestuia, latența acestui cablu optic a fost măsurată în 2007. Conectorul a fost apoi introdus incorect, ducând la o întârziere suplimentară de 73 de nanosecunde la conector, dar acest lucru nu a mai fost cunoscut sau luat în considerare în calculele timpului de zbor neutrino până când a fost efectuată o verificare la sfârșitul anului 2011. În plus, a fost descoperit un alt efect - frecvența generatorului de ceas intern al sistemului de achiziție de date a fost puțin mai mică decât cea nominală.
"Acest lucru nu este înfricoșător dacă timpul este sincronizat destul de des cu un semnal extern de timp foarte precis. Cu toate acestea, sincronizarea a fost efectuată o dată la 0,6 secunde, ceea ce a dat aproximativ 15 nanosecunde în direcția dilatației timpului la măsurarea timpului de zbor", savantul. explicat.
După ce au primit „rezultatul superluminal”, majoritatea participanților la experiment au insistat să continue și să repete testele. Totuși, coordonatorul științific Dario Autiero, care a efectuat toate aceste măsurători, a asigurat că totul a fost deja verificat de mai multe ori și nu exista nicio îndoială.
În cele din urmă, s-a decis să se organizeze un seminar la CERN, după care a apărut o senzație, iar o cascadă de teorii care explică noul efect a căzut asupra comunității fizicii - de la destul de sensibil la amator.
"Aceasta, apropo, este partea cea mai pozitivă a acestei povești - senzația a stârnit imaginația științifică și interesul pentru rezultatele științifice în societate. Toate acestea ar fi frumos, orice cercetător are dreptul să greșească, dar trebuie să fii foarte, foarte critic în munca ta. În cazul nostru "Unii oameni și-au dorit cu adevărat faima, așa că și-au prezentat dorința ca realitate. Ca urmare, faima a fost dobândită", a spus Gornushkin.
El și-a amintit că șeful experimentului OPERA, profesorul Antonio Ereditato, și însuși Autiero sunt autorul principal al acestuia.
Directorul științific al CERN, Sergio Bertolucci, vede, de asemenea, aspecte pozitive în ceea ce s-a întâmplat.
„Această poveste a captat imaginația publicului și le-a oferit oamenilor posibilitatea de a vedea metodele științifice în acțiune – un rezultat neașteptat a fost supus unor teste atente, cazul a fost studiat temeinic și rezolvat datorită, în parte, colaborării cu alte experimente. Așa se face știința. merge înainte”, a spus el. Bertolucci.
Reveniți la neutrini tau
Acum, colaborarea face eforturi pentru a finaliza cu succes obiectivul principal al experimentului: căutarea apariției neutrinilor tau, dar cu o conducere diferită, a spus Gornushkin.
Sarcina principală a experimentului OPERA este de a studia oscilațiile neutrinilor - capacitatea acestor particule de a se transforma de la un tip de neutrin la altul. Există trei tipuri cunoscute de neutrini - neutrini electroni, muoni și tau. Capacitatea lor de a se transforma servește ca dovadă a prezenței masei de neutrini.
În 2010, proiectul OPERA a înregistrat pentru prima dată transformarea unui neutrin muon într-un neutrin tau. Ipoteza că diferite tipuri de aceste particule se pot transforma unele în altele există în fizică de destul de mult timp și este susținută de o mulțime de dovezi, dar aceasta este prima dată când oamenii de știință au observat transformarea reală, oscilația neutrinului.
Noul șef al proiectului OPERA, Mitsuhiro Nakamura, a spus că fizicienii „au văzut” transformarea unui neutrin muon într-un neutrin tau pentru a doua oară.
Grupul științific OPERA a repetat experimentul pentru a măsura viteza neutrinilor și a confirmat datele senzaționale obținute anterior privind depășirea vitezei luminii; Potrivit noilor rezultate, neutrinii au zburat pe o distanță de 730 de kilometri cu 57 de nanosecunde mai repede decât lumina, a declarat pentru RIA Novosti participantul la proiect Natalya Polukhina, șeful laboratorului de particule elementare de la Institutul de Fizică Lebedev al Academiei Ruse de Științe (FIAN).
La sfârșitul lunii septembrie 2011, fizicienii colaborării OPERA, participanți la experimentul cu același nume pentru a studia oscilațiile neutrinilor, au anunțat că viteza acestor particule pe care le-au măsurat a depășit viteza luminii. Potrivit acestor oameni de știință, neutrinii au călătorit cu 730 de kilometri de la acceleratorul SPS de la CERN din Elveția până la detectorul subteran din tunelul Gran Sasso (Italia), în medie, cu 60 de nanosecunde mai repede decât au estimat calculele.
Acest lucru a determinat o serie de rapoarte de presă despre „refuzarea” teoriei relativității a lui Einstein. Autorii senzației înșiși sunt înclinați să creadă că vorbim despre niște distorsiuni care nu au fost încă sesizate. Înainte de publicarea oficială a rezultatelor într-un jurnal științific, oamenii de știință au decis să repete experimentul și să înlăture unii factori care ar putea cauza abaterea observată. Totuși, în final rezultatul superluminal a fost confirmat.
„Rezultatele testului sunt cunoscute, colaborarea și experții independenți au verificat totul cu mare atenție, un fascicul suplimentar de neutrini de la CERN a fost special organizat, rezultatul a rămas aproape același - nu 60, ci 57 de nanosecunde”, a spus Polukhina.
Potrivit ei, nivelul de fiabilitate al rezultatului a rămas la același nivel - șase abateri standard (pentru a vorbi despre o descoperire, fizicienii trebuie să primească doar cinci abateri standard).
"Colaborarea nu a constatat o eroare la măsurători, articolul va fi publicat, va fi o discuție mai largă. Nu se știe ce este în neregulă, pentru că s-a verificat tot ceea ce este de conceput și de neconceput. Să vedem ce spune publicul, pentru că acest rezultat dă totul peste cap”, a adăugat interlocutorul agenției.
Ea a spus că participanții la experimentul cu neutrini MINOS de la Laboratorul American Fermi vor verifica și datele OPERA.
"Au spus că vor repeta acest rezultat în decurs de trei luni, dar mă îndoiesc că acest lucru este posibil, deoarece echipamentul este serios, trebuie instalat și depanat. A fost nevoie de doi ani de la OPERA pentru a depana sistemul. Pe de altă parte, OPERA este gata să vă doneze echipamentul și sunt gata să ajut”, a spus Polukhina.
În experimentul OPERA, protonii, accelerați la CERN la supersincrotronul de protoni SPS până la o energie de 400 gigaelectronvolți, lovesc o țintă de grafit, generând mezoni și kaoni. Aceste particule zboară printr-un tunel de vid lung de un kilometru pe măsură ce se degradează, generând neutrini, care, la rândul lor, pleacă într-o călătorie de 730 de kilometri prin Pământ până la un laborator din tunelul Gran Sasso (Italia), unde sunt întâlnite de un detector operațional. .
Pentru a determina viteza unui neutrin, este necesar să se măsoare calea și timpul necesar particulei pentru a parcurge această cale. Distanța dintre CERN și detectorul OPERA (732 de kilometri) este măsurată cu o precizie de 20 de centimetri, iar timpul de sosire a neutrinilor este măsurat cu o precizie de 10 nanosecunde. Folosind această medie de 16 mii de neutrini, rezultatul a fost cu 60 de nanosecunde mai rapid decât viteza luminii - un rezultat care a fost corectat acum la 57 de nanosecunde.
În primul experiment, oamenii de știință au folosit impulsuri de protoni de 10 microsecunde care conțineau depozite de fascicule de cinci nanosecunde. Cu toate acestea, în experimentul repetat, ei au folosit impulsuri mai scurte cu durata de 1-2 nanosecunde cu pauze de 500 de nanosecunde pentru a obține un front de undă neutrino „mai clar” și pentru a elimina eventualele erori.
„O verificare internă a colaborării nu a găsit încă nimic, rezultatul rămâne și va fi publicat”, a conchis Polukhina.
Nu a trecut mult timp.... 27/12/2011 și S-au găsit noi argumente teoretice împotriva posibilității mișcării superluminale a neutrinului:
După ce au efectuat calcule relativ simple bazate pe legile conservării energiei și impulsului pentru dezintegrare, autorii au arătat că, în condițiile experimentului OPERA - atunci când se folosesc neutrini și pioni cu energii medii de ~17,5 și ~60 GeV - parametrul α ar trebui să nu se ridica peste 4,10 -6. Pentru a permite măsurarea α = 2,5,10 -5, durata de viață a pionului trebuie mărită de aproximativ șase ori. Posibilitatea unei modificări atât de serioase a parametrilor particulelor este, desigur, exclusă.
Restricții și mai stricte asupra α, conform fizicienilor, sunt stabilite de experimentul IceCube, în care sunt înregistrați neutrini și muoni de înaltă energie de origine astrofizică. Detectorul IceCube este un set de module de înregistrare echipate cu fotomultiplicatori și înșirate pe „fire”. Aceste ansambluri sunt instalate la o adâncime de 1.450 până la 2.450 m în gheață, iar particulele încărcate formate în timpul interacțiunilor cu neutrini și care se deplasează cu o viteză care depășește viteza de fază a luminii în gheață generează radiație Cherenkov, care este monitorizată de tuburi fotomultiplicatoare.
Pe baza primelor rezultate observaționale publicate recent de colaborarea IceCube, autorii au descoperit că α nu trebuie să depășească 10 -12 . „După cum putem vedea, este extrem de dificil să obțineți neutrini superluminali fără a încălca legile cunoscute de fizica modernă”, conchide liderul studiului Ramanath Cowsik. „În același timp, nu se pot face plângeri împotriva colaborării OPERA: ei și-au verificat cu atenție datele și le-au publicat doar după ce au încercat toate metodele de găsire a erorilor. Evident, o eroare a trecut neobservată, iar acum noi – întreaga comunitate de fizică – trebuie să ajutăm să o descoperim.”
Raportul complet, pregătit de domnul Kowsik și colegii săi, este publicat în revista Physical Review Letters; O preprint a articolului poate fi descărcată de pe site-ul web arXiv.
Preparat din materiale Universitatea Washington din St. Louis .
| Anunturi de stiri- Ce este asta? |
| Slavă și prima moarte Ficțiune futuristă: . 27.07.2019 |
| De ce artiștii devin președinți Despre modul în care jurnaliștii, bloggerii și artiștii cu experiență își folosesc abilitățile pentru a minți în favoarea ideilor lor și pentru a promova în mod activ aceste minciuni folosind o retorică sofisticată, repetată îndelung. : . 26.06.2019 |
| Caracteristicile înțelegerii sistemelor de circuite Care sunt principalele motive pentru neînțelegerea modernă a funcțiilor nivelurilor adaptative de dezvoltare evolutivă a creierului: |
MOSCOVA, 8 iunie - RIA Novosti. Oamenii de știință care lucrează în proiectul de neutrini OPERA, după o serie de experimente, au infirmat în cele din urmă datele pe care le obținuseră anterior despre capacitatea particulei elementare de neutrin de a se mișca mai repede decât viteza luminii - cea mai mare senzație științifică din ultimii ani nici măcar nu a trăit. un an, unul dintre participanții la experiment, un angajat al Institutului Comun de Cercetare Nucleară, a declarat pentru RIA Novosti (JINR) Yuri Gornushkin.
Experimentul OPERA cu neutrini a intrat în centrul atenției în mass-media la sfârșitul lunii septembrie 2011, când oamenii de știință din acest grup. Oamenii de știință estimează că neutrinii au călătorit cu 730 de kilometri de la acceleratorul SPS de la CERN până la detectorul subteran OPERA de la laboratorul italian Gran Sasso, în medie, cu 60 de nanosecunde mai repede decât s-a calculat.
Cu toate acestea, membrii colaborării OPERA au raportat ulterior că au descoperit o eroare tehnică care ar putea duce la apariția unor date despre depășirea vitezei luminii. Colaborarea a decis să retesteze aceste rezultate în luna mai.
Sfârșitul senzației
După cum a declarat Yuri Gornushkin, șeful grupului de participanți la experimentul OPERA de la Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR), pentru RIA Novosti, un raport despre rezultatele acestui control a fost prezentat la conferința Neutrino 2012 din orașul japonez Kyoto. vineri.
"Experimentul a fost repetat la sfarsitul anului trecut si in luna mai a acestui an in conditii speciale, cu pulsuri de neutrini foarte scurte de la acceleratorul CERN, interpretarea rezultatelor fiind complet lipsita de ambiguitate. Conform ultimelor date, se confirma ca viteza neutrinului coincide cu viteza luminii cu o bună acuratețe și „Astfel, eroarea declarațiilor senzaționale de anul trecut este în sfârșit dovedită”, a spus Gornushkin.
Testele de viteză a neutrinilor efectuate de OPERA, precum și alte trei experimente cu neutrini bazate la Gran Sasso - Borexino, LVD și ICARUS - nu au arătat abateri semnificative de la viteza luminii.
În special, abaterea timpului de sosire a neutrinilor de la cea așteptată măsurată de OPERA a fost de numai 1,6 nanosecunde. În acest caz, eroarea statistică este de plus sau minus 1,1 nanosecunde, iar eroarea sistematică este de până la 6,1 nanosecunde. Rezultatul ICARUS este de 5,1 nanosecunde cu o eroare totală plus sau minus 6,6 nanosecunde, Borexino - 2,7 nanosecunde plus sau minus 4,2 nanosecunde, LVD - 2,9 nanosecunde plus sau minus 3,6 nanosecunde.
Nu am verificat conectorul
Vorbitorul, Marcos Dracos de la Institutul Francez de Studii Interdisciplinare (IPHC), a vorbit și despre motivele erorii.
Sursa de neutrini superluminali s-a dovedit a fi un conector prost introdus al cablului optic între antena GPS externă și unitatea din sistemul de achiziție de date al instalației, care este responsabilă de sincronizarea ceasului intern al instalației și a ceasului la CERN, unde momentul în care neutrinul a început să se miște a fost determinat.
„Acest lucru a făcut ca ceasul intern să se grăbească, ceea ce a dus la falsa impresie că neutrinii sosesc mai devreme decât dacă ar călători cu viteza luminii”, a spus Gornushkin.
Potrivit acestuia, latența acestui cablu optic a fost măsurată în 2007. Conectorul a fost apoi introdus incorect, ducând la o întârziere suplimentară de 73 de nanosecunde la conector, dar acest lucru nu a mai fost cunoscut sau luat în considerare în calculele timpului de zbor neutrino până când a fost efectuată o verificare la sfârșitul anului 2011. În plus, a fost descoperit un alt efect - frecvența generatorului de ceas intern al sistemului de achiziție de date a fost puțin mai mică decât cea nominală.
"Acest lucru nu este înfricoșător dacă timpul este sincronizat destul de des cu un semnal extern de timp foarte precis. Cu toate acestea, sincronizarea a fost efectuată o dată la 0,6 secunde, ceea ce a dat aproximativ 15 nanosecunde în direcția dilatației timpului la măsurarea timpului de zbor", savantul. explicat.
După ce au primit „rezultatul superluminal”, majoritatea participanților la experiment au insistat să continue și să repete testele. Totuși, coordonatorul științific Dario Autiero, care a efectuat toate aceste măsurători, a asigurat că totul a fost deja verificat de mai multe ori și nu exista nicio îndoială.
În cele din urmă, s-a decis să se organizeze un seminar la CERN, după care a apărut o senzație, iar o cascadă de teorii care explică noul efect a căzut asupra comunității fizicii - de la destul de sensibil la amator.
"Aceasta, apropo, este partea cea mai pozitivă a acestei povești - senzația a stârnit imaginația științifică și interesul pentru rezultatele științifice în societate. Toate acestea ar fi frumos, orice cercetător are dreptul să greșească, dar trebuie să fii foarte, foarte critic în munca ta. În cazul nostru "Unii oameni și-au dorit cu adevărat faima, așa că și-au prezentat dorința ca realitate. Ca urmare, faima a fost dobândită", a spus Gornushkin.
El și-a amintit că șeful experimentului OPERA, profesorul Antonio Ereditato, și însuși Autiero sunt autorul principal al acestuia.
Directorul științific al CERN, Sergio Bertolucci, vede, de asemenea, aspecte pozitive în ceea ce s-a întâmplat.
„Această poveste a captat imaginația publicului și le-a oferit oamenilor posibilitatea de a vedea metodele științifice în acțiune – un rezultat neașteptat a fost supus unor teste atente, cazul a fost studiat temeinic și rezolvat datorită, în parte, colaborării cu alte experimente. Așa se face știința. merge înainte”, a spus el. Bertolucci.
Reveniți la neutrini tau
Acum, colaborarea face eforturi pentru a finaliza cu succes obiectivul principal al experimentului: căutarea apariției neutrinilor tau, dar cu o conducere diferită, a spus Gornushkin.
Sarcina principală a experimentului OPERA este de a studia oscilațiile neutrinilor - capacitatea acestor particule de a se transforma de la un tip de neutrin la altul. Există trei tipuri cunoscute de neutrini - neutrini electroni, muoni și tau. Capacitatea lor de a se transforma servește ca dovadă a prezenței masei de neutrini.
În 2010, proiectul OPERA a înregistrat pentru prima dată transformarea unui neutrin muon într-un neutrin tau. Ipoteza că diferite tipuri de aceste particule se pot transforma unele în altele există în fizică de destul de mult timp și este susținută de o mulțime de dovezi, dar aceasta este prima dată când oamenii de știință au observat transformarea reală, oscilația neutrinului.
Noul șef al proiectului OPERA, Mitsuhiro Nakamura, a spus că fizicienii „au văzut” transformarea unui neutrin muon într-un neutrin tau pentru a doua oară.
Dedicat măsurării directe a vitezei neutrinilor. Rezultatele sună senzațional: viteza neutrinilor a fost ușor - dar semnificativă statistic! - mai rapid decât viteza luminii. Lucrarea de colaborare conține o analiză a diferitelor surse de erori și incertitudini, dar reacția marii majorități a fizicienilor rămâne foarte sceptică, în primul rând pentru că acest rezultat nu este în concordanță cu alte date experimentale privind proprietățile neutrinilor.
|
Orez. 1. |
Detalii despre experiment
Ideea experimentului (vezi experimentul OPERA) este foarte simplă. Un fascicul de neutrini se naște la CERN, zboară prin Pământ până la laboratorul italian Gran Sasso și trece acolo printr-un detector special de neutrini OPERA. Neutrinii interacționează foarte slab cu materia, dar deoarece fluxul lor de la CERN este atât de mare, unii neutrini încă se ciocnesc cu atomii din interiorul detectorului. Acolo generează o cascadă de particule încărcate și, prin urmare, își lasă semnalul în detector. Neutrinii la CERN nu se nasc continuu, ci în „rafale”, iar dacă știm momentul nașterii neutrinului și momentul absorbției acestuia în detector, precum și distanța dintre cele două laboratoare, putem calcula viteza. a neutrinului.
Distanța dintre sursă și detector în linie dreaptă este de aproximativ 730 km și se măsoară cu o precizie de 20 cm (distanța exactă dintre punctele de referință este de 730.534,61 ± 0,20 metri). Adevărat, procesul care duce la nașterea neutrinilor nu este localizat cu atâta acuratețe. La CERN, un fascicul de protoni de înaltă energie este eliberat din acceleratorul SPS, aruncat pe o țintă de grafit și generează particule secundare, inclusiv mezoni. Ei încă zboară înainte cu viteza aproape de lumină și se dezintegrează în muoni în timp ce emit neutrini. De asemenea, muonii se descompun și produc neutrini suplimentari. Apoi, toate particulele, cu excepția neutrinilor, sunt absorbite în grosimea substanței și ajung liber la locul de detectare. Diagrama generală a acestei părți a experimentului este prezentată în Fig. 1.
Întreaga cascadă care duce la apariția unui fascicul de neutrini se poate întinde pe sute de metri. Cu toate acestea, din moment ce Toate particulele din acest grup zboară înainte cu viteza aproape de lumină; pentru timpul de detectare, practic nu există nicio diferență dacă neutrinul s-a născut imediat sau după un kilometru de călătorie (cu toate acestea, este de mare importanță când exact protonul original care a condus la nașterea acestui neutrin a zburat din accelerator). Ca rezultat, neutrinii generați, în general, repetă pur și simplu profilul fasciculului original de protoni. Prin urmare, parametrul cheie aici este tocmai profilul de timp al fasciculului de protoni emis de accelerator, în special poziția exactă a muchiilor sale de început și de sfârșit, iar acest profil este măsurat cu timp bun. s rezoluție m (vezi Fig. 2).
Fiecare sesiune de aruncare a unui fascicul de protoni pe o țintă (în engleză, o astfel de sesiune se numește deversare, „explozie”) durează aproximativ 10 microsecunde și duce la nașterea unui număr imens de neutrini. Cu toate acestea, aproape toți zboară direct prin Pământ (și prin detector) fără interacțiune. În acele cazuri rare în care detectorul detectează un neutrin, este imposibil de spus în ce moment exact în timpul intervalului de 10 microsecunde a fost emis. Analiza poate fi efectuată doar statistic, adică să se acumuleze multe cazuri de detecție a neutrinilor și să se construiască distribuția lor în timp relativ la punctul de plecare pentru fiecare sesiune. În detector, punctul de plecare este considerat momentul în care semnalul convențional, deplasându-se cu viteza luminii și emis exact în momentul marginii frontale a fasciculului de protoni, ajunge la detector. Măsurarea precisă a acestui moment a fost posibilă prin sincronizarea ceasurilor din două laboratoare cu o precizie de câteva nanosecunde.
În fig. Figura 3 prezintă un exemplu de astfel de distribuție. Punctele negre sunt date reale de neutrino înregistrate de detector și însumate pe un număr mare de sesiuni. Curba roșie arată un semnal de „referință” convențional care s-ar mișca cu viteza luminii. Se poate observa că datele încep de la aproximativ 1048,5 ns mai devreme semnal de referință. Acest lucru, cu toate acestea, nu înseamnă că neutrinii sunt de fapt înaintea luminii cu o microsecundă, ci este doar un motiv pentru a măsura cu atenție toate lungimile cablurilor, vitezele de răspuns ale echipamentelor, timpii de întârziere electronică și așa mai departe. Această reverificare a fost efectuată și s-a dovedit că compensează cuplul „de referință” cu 988 ns. Astfel, se dovedește că semnalul neutrinului depășește de fapt semnalul de referință, dar doar cu aproximativ 60 de nanosecunde. În ceea ce privește viteza neutrinilor, aceasta corespunde depășirii vitezei luminii cu aproximativ 0,0025%.
Eroarea acestei măsurători a fost estimată de autorii analizei la 10 nanosecunde, care include atât erori statistice, cât și sistematice. Astfel, autorii susțin că „văd” mișcarea neutrinului superluminal la un nivel de încredere statistic de șase abateri standard.
Diferența dintre rezultate și așteptări cu șase abateri standard este deja destul de mare și este numită în fizica particulelor cuvântul mare „descoperire”. Cu toate acestea, acest număr trebuie înțeles corect: înseamnă doar că probabilitatea statistic fluctuațiile datelor sunt foarte mici, dar nu indică cât de fiabilă este tehnica de prelucrare a datelor și cât de bine au luat în considerare fizicienii toate erorile instrumentale. La urma urmei, există multe exemple în fizica particulelor în care semnalele neobișnuite nu au fost confirmate de alte experimente cu o încredere statistică excepțional de mare.
Ce contrazic neutrinii superluminali?
Contrar credinței populare, relativitatea specială nu interzice în sine existența particulelor care se mișcă la viteze superluminale. Cu toate acestea, pentru astfel de particule (se numesc în general „tahioni”) viteza luminii este, de asemenea, o limită, dar numai de jos - nu se pot mișca mai încet decât aceasta. În acest caz, dependența energiei particulelor de viteză este inversă: cu cât energia este mai mare, cu atât viteza tahionilor este mai apropiată de viteza luminii.
Probleme mult mai serioase încep în teoria câmpului cuantic. Această teorie înlocuiește mecanica cuantică atunci când vine vorba de particule cuantice cu energii mari. În această teorie, particulele nu sunt puncte, ci, relativ vorbind, cheaguri ale unui câmp material și nu pot fi considerate separat de câmp. Se pare că tahionii scad energia câmpului, ceea ce înseamnă că fac vidul instabil. Atunci este mai avantajos ca vidul să se dezintegreze spontan într-un număr mare de aceste particule și, prin urmare, este pur și simplu inutil să se ia în considerare mișcarea unui tahion în spațiul gol obișnuit. Putem spune că tahionul nu este o particule, ci o instabilitate a vidului.
În cazul tahio-fermionilor, situația este ceva mai complicată, dar și acolo apar dificultăți comparabile care împiedică crearea unei teorii a câmpului cuantic tahionic auto-consistent, inclusiv teoria relativității obișnuite.
Cu toate acestea, acesta nu este nici ultimul cuvânt în teorie. Așa cum experimentatorii măsoară tot ceea ce poate fi măsurat, teoreticienii testează și toate modelele ipotetice posibile care nu contrazic datele disponibile. În special, există teorii în care este permisă o mică abatere, încă neobservată, de la postulatele teoriei relativității - de exemplu, viteza luminii în sine poate fi o valoare variabilă. Astfel de teorii nu au încă suport experimental direct, dar nu sunt încă închise.
Această scurtă schiță a posibilităților teoretice poate fi rezumată după cum urmează: deși mișcarea superluminală este posibilă în unele modele teoretice, ele rămân constructe pur ipotetice. Toate datele experimentale disponibile astăzi sunt descrise de teorii standard fără mișcare superluminală. Prin urmare, dacă ar fi confirmată în mod fiabil pentru cel puțin unele particule, teoria cuantică a câmpului ar trebui refăcută radical.
Rezultatul OPERA trebuie considerat „primul semn” în acest sens? Nu încă. Poate cel mai important motiv pentru scepticism rămâne faptul că rezultatul OPERA nu este de acord cu alte date experimentale despre neutrini.
În primul rând, în timpul celebrei explozii de supernovă SN1987A, au fost înregistrați și neutrini care au sosit cu câteva ore înainte de pulsul de lumină. Acest lucru nu înseamnă că neutrinii călătoreau mai repede decât lumina, ci doar reflectă faptul că neutrinii sunt emiși mai devreme în colapsul nucleului supernovei decât lumina. Cu toate acestea, deoarece neutrinii și lumina, după ce au călătorit timp de 170 de mii de ani, nu s-au separat cu mai mult de câteva ore, înseamnă că vitezele lor sunt foarte apropiate și diferă cu nu mai mult de părți dintr-un miliard. Experimentul OPERA arată o discrepanță de mii de ori mai mare.
Aici, desigur, putem spune că neutrinii produși în timpul exploziilor de supernove și neutrinii de la CERN diferă foarte mult ca energie (câteva zeci de MeV în supernove și 10–40 GeV în experimentul descris), iar viteza neutrinilor variază în funcție de energie. . Dar această schimbare în acest caz funcționează în direcția „greșită”: la urma urmei, cu cât energia tahionilor este mai mare, cu atât viteza lor ar trebui să fie mai aproape de viteza luminii. Desigur, și aici putem veni cu o modificare a teoriei tahionice în care această dependență ar fi complet diferită, dar în acest caz va trebui să discutăm despre modelul „dublu-ipotetic”.
Mai mult, din bogăția de date experimentale privind oscilațiile neutrinilor obținute în ultimii ani, rezultă că masele tuturor neutrinilor diferă între ele doar prin fracțiuni de electronvolt. Dacă rezultatul OPERA este perceput ca o manifestare a mișcării superluminale a neutrinilor, atunci valoarea pătrată a masei a cel puțin unui neutrin va fi de ordinul –(100 MeV) 2 (masa pătrată negativă este o manifestare matematică a faptul că particula este considerată un tahion). Atunci trebuie să recunoaștem asta Toate tipurile de neutrini sunt tahioni și au aproximativ aceeași masă. Pe de altă parte, măsurarea directă a masei neutrinilor în dezintegrarea beta a nucleelor de tritiu arată că masa neutrinului (în valoare absolută) nu trebuie să depășească 2 electronvolți. Cu alte cuvinte, nu va fi posibilă reconcilierea tuturor acestor date între ele.
Concluzia din aceasta se poate trage după cum urmează: rezultatul declarat al colaborării OPERA este greu de încadrat în oricare, chiar și în cele mai exotice modele teoretice.
Ce urmeaza?
În toate colaborările mari în fizica particulelor, este o practică normală ca fiecare analiză specifică să fie efectuată de un grup mic de participanți și numai atunci rezultatele sunt prezentate pentru discuție generală. În acest caz, aparent, această etapă a fost prea scurtă, drept urmare nu toți participanții la colaborare au fost de acord să semneze articolul (lista completă include 216 participanți la experiment, dar preprintul are doar 174 de autori). Prin urmare, în viitorul apropiat, se pare că în cadrul colaborării vor fi efectuate multe verificări suplimentare, iar abia după aceasta articolul va fi trimis la tipărire.
Desigur, acum ne putem aștepta la un flux de lucrări teoretice cu diverse explicații exotice pentru acest rezultat. Cu toate acestea, până când rezultatul declarat nu este verificat de două ori în mod fiabil, nu poate fi considerat o descoperire cu drepturi depline.
Pe 23 septembrie 2011, din Italia au venit vești uimitoare - neutrinii muoni, care apar din degradarea mezonilor, se mișcă mai repede decât lumina. Această știre este surprinzătoare pentru orice persoană educată, deoarece știe că teoria relativității a lui Einstein interzice orice să se miște atât de repede. După cum s-a dovedit, o revoluție în fizică nu a avut loc încă, dar însuși faptul posibilității sale teoretice și probabilității diferite de zero merită o poveste separată.
Cine sunteți, domnule Neutrino?
În 1914, fizicianul englez James Chadwick, în timp ce studia dezintegrarea beta (acesta este momentul în care nucleul unui element emite în mod neașteptat un electron sau un pozitron), a descoperit un fapt interesant și înfricoșător - energia nucleului rezultată din dezintegrare este mai mică decât unul calculat. Timp de câteva decenii, această problemă i-a împiedicat pe fizicieni să trăiască, deoarece legea conservării energiei este un lucru absolut fundamental. A ajuns la punctul de aparent absurd - de ceva timp însuși Niels Bohr, un clasic al mecanicii cuantice, a fost gata să admită că legea conservării în microcosmos nu trebuie îndeplinită, deoarece nu există „nici dovezi experimentale, nici teoretice”. pentru aceasta.
În 1930, Wolfgang Pauli, fără tragere de inimă, a decis să introducă o nouă particule. „Recunosc că tehnica mea poate părea la prima vedere destul de incredibilă, pentru că dacă neutrinul ar fi existat, ar fi fost descoperit cu mult timp în urmă. Cu toate acestea, cine nu riscă, nu câștigă. De aceea, trebuie să discutăm serios despre orice cale spre mântuire. ” a scris el în celebra sa scrisoare către Congresul științific de la Tübingen (la vremea aceea, fizicienii erau încă sensibili la necesitatea introducerii de noi particule).
Particula rezultată a fost numită neutron deoarece avea sarcină electrică zero. Un incident amuzant s-a întâmplat aici - în 1932, Chadwick a descoperit o particulă neutră, pe care a numit-o și neutron. Din această cauză, când doi ani mai târziu, Enrico Fermi a prezentat o teorie cu drepturi depline a dezintegrarii beta (la vremea aceea era deja clar că neutronul Pauli și neutronul Chadwick erau complet diferiti), a trebuit să redenumească particula inventată de Pauli. El a devenit autorul termenului „neutrin”, care poate fi tradus ca „neutron”.
Deși fratele mai mic al neutronului a salvat legea conservării energiei (și, după cum s-a dovedit puțin mai târziu, legile conservării momentului și impulsului unghiular), s-a dovedit a fi o particulă destul de neplăcută. În primul rând, s-a dovedit că interacționează foarte reticent cu materia - la energii de 3-10 megaelectronvolți, calea liberă medie a unei particule este de aproximativ 100 de ani lumină. În plus, s-a dovedit că Soarele pur și simplu bombardează planeta noastră cu neutrini - aproximativ 100 de miliarde de neutrini trec printr-o zonă de 1 centimetru pătrat pe secundă - dar noi nu observăm acest lucru.
În anii 1960, a devenit clar că există mai multe tipuri de neutrini (pentru confirmarea experimentală a acestui fapt, Leon Lederman, Madwin Schwartz și Jack Steinberger au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1988). În special, ei au descoperit că există neutrini de electroni și există și neutrini muoni, care provin din dezintegrarea mezonilor pi.
În curând basmul va spune, dar nu curând fapta se va face - la începutul anilor 2000, oamenii de știință știau deja multe despre neutrini, dar, în același timp, totuși, majoritatea informațiilor au fost obținute experimental. Din punct de vedere teoretic, neutrinii au fost și rămân o nucă greu de spart - adesea premise teoretice diferite au dat și oferă răspunsuri diametral opuse la aceeași întrebare. O altă dificultate în studierea acestor particule este dimensiunea detectoarelor care trebuie construite (mai multe despre aceasta, totuși, mai jos).
Oricum ar fi, în prezent se știe că există trei generații de neutrini - tau, muon și electroni. Fiecare particulă are antipodul său - un antineutrino din generația corespunzătoare. S-a dovedit că neutrinul este o particulă nepermanentă, prin urmare oscilează în timpul mișcării sale, adică se poate transforma dintr-o particulă dintr-o generație la o particulă din alta. De aici rezultă imediat (aici, desigur, omitem cinci până la zece pagini de calcule și o grămadă de lucrări științifice) că masa de repaus a acestei particule este diferită de zero - până de curând, apropo, fizicienii nu erau deloc sigur de asta. Mai mult, deja menționatul Pauli, în esență părintele savantului în neutroni, a considerat acest parametru ca fiind zero.
În ultimii ani, neutrinii au fost adesea în știri ca particule care pur și simplu nu se potrivesc în modelul standard. De exemplu, în 2010, oamenii de știință care lucrează cu experimentul MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) din Minnesota au anunțat că au găsit diferențe între neutrini și antineutrini. Astfel, s-a dovedit că procesul de oscilație pentru aceste două tipuri și pătratele diferenței dintre masele diferitelor generații într-unul dintre cazuri s-au dovedit a fi cu 40 la sută mai mici pentru antineutrini decât pentru neutrini (este clar că din din punctul de vedere al teoriei moderne a particulelor elementare, acest lucru este pur și simplu inacceptabil). În 2011, detectorul japonez T2K, care prinde neutrini emiși de acceleratorul din complexul J-PARC, a înregistrat un tip de oscilație necunoscut anterior - neutrinii muoni transformați în electroni (deși se pot transforma doar în tau) - care a venit și ca un surpriză totală pentru majoritatea fizicienilor.
Este clar că toate aceste dificultăți nu au depășit sfera fizicii particulelor elementare - în cazurile menționate, de altfel, fizicienii s-au limitat la rapoarte, fără a lucra asupra datelor colectate, invocând „fiabilitatea statistică insuficientă a rezultatelor”. .” Dar, probabil, ciudateniile neutrini s-au acumulat prea mult timp, iar tunetul a lovit pe 23 septembrie 2011.
Mai rapid decat lumina
În această zi s-au răspândit în întreaga lume știrile de la oamenii de știință care lucrează cu detectorul OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus - un proiect pentru a studia oscilațiile neutrinilor folosind analiza filmelor de emulsie) - apropo, același detector pe care în 2010 a fost posibil să se înregistreze direct pentru prima dată faptele notorii de oscilații a neutrinilor. Studiind diferența dintre viteza neutrinilor și viteza luminii, ei au descoperit că neutrinii muoni nu numai că țin pasul cu lumina, așa cum ar trebui particulele masive din punctul de vedere al teoriei relativității, ci și o depășesc!
Sunt două lucruri pe care trebuie să le înțelegi aici. În primul rând, în calculele teoretice se obțin adesea viteze superluminale. Wikipedia are câteva exemple bune - mai ales impresionant este că atunci când întorci capul, în sistemul de coordonate asociat cu acesta, Luna se mișcă mai repede decât viteza luminii. În același timp, consensul general în explicarea unor astfel de fenomene este destul de simplu: astfel de procese nu permit transferul de informații și, prin urmare, sunt complet acceptabile.
În al doilea rând, scepticismul față de noua descoperire a fost alimentat de prezentarea de materiale de către agențiile de presă. Iată, de exemplu, cum a prezentat-o Vesti. Complotul a inclus fraze precum „Oamenii de știință europeni ridică din umeri în confuzie și se gândesc, ce să facă mai departe?”, „Oamenii de știință nu și-au crezut propriile date și s-au grăbit să verifice totul, dar au obținut același rezultat” și absolut fantasticul „ teoria relativității în acest caz merge în iad”. După aceasta, de înțeles, apare gândul că oamenii de știință au fost din nou înțeleși greșit.
Cu toate acestea, situația s-a dovedit a fi mult mai gravă. O arhivă a preprinturilor Universității Cornell care detaliază rezultatele experimentale. Se precizează, printre altele, că, în cadrul experimentului, oamenii de știință au reușit să înregistreze 16.111 evenimente când neutrinii au sosit mai devreme decât timpul estimat. Analiza statistică a arătat că, în medie, viteza unui neutrin muon depășește viteza luminii cu 0,00248%. Trebuie spus că aceasta nu este prima afirmație de acest fel - în 2007, MINOS a descoperit că neutrinii de la acceleratorul de la Fermilab ajung puțin mai devreme decât era necesar (la acea vreme însă, oamenii de știință considerau aceasta o eroare în măsurători) .
Un comunicat de presă emis cu ocazia apariției articolului precizează că autorii lucrării înțeleg toate consecințele declarației lor și, prin urmare, nu intenționează să publice lucrarea într-un jurnal evaluat de colegi până când rezultatul lor va avea o confirmare independentă. În special, MINOS ar putea confirma rezultatele detectorului italian. În același timp, așa cum Antonio Ereditato, reprezentant al colaborării OPERA (la ea participă 160 de oameni de știință din diferite țări, inclusiv Rusia), experimentul oamenilor de știință este destul de simplu: „Măsurăm distanța, măsuram timpul și împărțim unul la celălalt – la fel ca la școală”.
De fapt, desigur, Eriditato este necinstit. În primul rând, la Super Proton Synchrotron (SPS), care este situat la CERN la granița dintre Franța și Elveția și este de obicei folosit pentru a preaccelera fasciculele pentru Large Hadron Collider, protonii bombardează o țintă de grafit la fiecare șase secunde. Ca urmare, apar mezoni, care încep să se degradeze în zbor, eliberând neutrini muoni (în acest scop, particulele sunt prevăzute cu un tunel lung de un kilometru). Particulele rezultate zboară 730 de kilometri (distanța este măsurată cu o precizie de 20 de centimetri), trecând mai multe granițe de stat și ajung în Italia, unde sunt deja așteptate la Laboratorul Național Gran Sasso.
Aici, sub o grosime de roci de 1,4 kilometri (apropo, complexul se află la aproape un kilometru deasupra nivelului mării), se află cel mai mare laborator din lume pentru studiul particulelor elementare. Acest aranjament face posibilă reducerea la minimum a fundalului creat de particulele elementare din spațiu și din intestinele pământului. Aici, particulele sunt detectate folosind un detector format din 150 de mii de plăci de fotoemulsie, straturi de plumb grosime de aproximativ un milimetru și un spectrograf magnetic.
Este clar că formarea neutrinilor este legată de probabilitate, așa că oamenii de știință au obținut o distribuție statistică. Principala realizare a oamenilor de știință a fost sincronizarea incredibil de precisă (de ordinul a 10 nanosecunde) a ceasurilor de la CERN și din Italia. Pentru aceasta, în special, oamenii de știință au atras specialiști de la CERN și METAS (aceștia sunt metrologi elvețieni). Descoperirii a fost dedicată o conferință de presă, care a fost difuzată pe internet direct de la CERN în seara zilei de 23 septembrie 2011.
Explicații posibile
Cea mai populară explicație pentru fenomenul descoperit până acum se numește eroare sistematică în măsurători. "Aceste rezultate sunt o consecință a erorii sistematice în măsurători. Nu aș înjură pe soția și copiii mei - nu le va plăcea, dar pot să jur pe propria mea casă", citează ScienceNOW Chen Ken Jun, fizician la Stony. Universitatea Brook.
Alți oameni de știință nu sunt atât de originali în declarațiile lor, dar notează, de asemenea, că rezultatul detectorului italian nu este prima încercare de a respinge postulatul lui Einstein despre limita vitezei luminii. În același timp, în toate lucrările de acest gen au fost descoperite mai devreme sau mai târziu erori. Prin urmare, ele vor fi dezvăluite în această lucrare. Unii cercetători notează că acest rezultat poate servi drept confirmare a teoriilor fizice exotice, care, de exemplu, presupun prezența unor dimensiuni suplimentare (nu este specificat exact modul în care viteza mare a neutrinilor este conectată cu astfel de teorii).
În cele din urmă, cea mai simplă opțiune este că gravitația lui Einstein necesită o anumită corecție. În special, de exemplu, există o variantă de încălcare a invarianței Lorentz a oscilațiilor neutrinilor (fizicienii din întreaga lume lucrează într-o direcție similară, încercând, în special, să includă tahioni - particule care se mișcă inițial cu o viteză mai mare decât viteza). de lumină - în Modelul Standard). Adepții acestui tip de teorie se pot dovedi a fi tocmai fizicienii care au reușit să „privadă” în viitor.
În general, nu contează cine se dovedește a avea dreptate - principalul lucru este că descoperirea oamenilor de știință nu se dovedește a fi o eroare sistematică enervantă. La urma urmei, asta va însemna o adevărată revoluție în fizică, iar acest lucru este întotdeauna foarte cool.
