Новости из мира науки не так часто будоражат ум рядового обывателя. Чтобы какое-либо открытие дошло до сознания народных масс, оно должно иметь крайне необычный, почти магический характер. Именно поэтому журналисты всего мира так жадно ухватились за сообщение про сверхсветовые нейтрино. Гипотезы и теории посыпались как из рога изобилия, но реальность, как всегда, расставила все на свои места.
Что такое нейтрино?
Итальянским словом «neutrino» называется самая распространенная во Вселенной частица. Существование ее было предположено Вольфгангом Паули в 1930 году. Но природа этой составляющей атомных ядер до сих пор до конца не познана .
Перечислим уже известные науке факты:
- Само название говорит о нейтральном электрическом заряде данного фермиона;
- Взаимодействие с окружающей средой минимально. Слабые взаимодействия имеют очень короткий диапазон, а гравитация незначительна. Это приводит к тому, что нейтрино проходит через любую материю практически беспрепятственно;
- Каждая частица имеет собственного антипода, которого так и называют - антинейтрино. Последнее отличается от своего собрата квантовым числом и симметричностью (хиральностью);
- Основными источниками этих космических странников являются ядерные реакции, происходящие в звездах, особенно в сверхновых. Солнце не является исключением и посылает на Землю их триллионами;
- Лептон может быть создан и искусственным путем с помощью ядерных реакторов и ускорителей.
Возможно ли превысить скорость света?
Согласно озвученной Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности, со скоростью света могут передвигаться лишь тела с нулевой массой покоя. Все прочие предметы никогда не достигнут этой планки. Превышение же порога в 300 000 км/с материей или информацией теоретически невозможно.
Однако сообщения о неожиданных открытиях то и дело появляются на полосах газет. Среди самых последних новостей:
- Ученый из Принстонского университета Линжун Ванг заявлял о возможности достижения скоростей, в сотни раз больших, чем у электромагнитных волн. Он назвал это явление нуль-телепортацией. Однако спустя некоторое время исследователь признал свою ошибку;
- Свои просчеты пришлось признать и работникам Исследовательского совета, находящегося в Италии. Они сообщали о разгоне микроскопических волн до 375 000 км/с;
- Ученые МГУ также известны на попытках прославиться. Так называемый «холодный термоядерный синтез» стоил карьеры не одному физику, открыто заявлявшему о гибели открытий Эйнштейна.
Высокая частота появления таких вестей приучила исследователей с подозрением относиться к любой попытке низвержения теории относительности.
Скорость и масса нейтрино
Скорость передвижения частицы долго оставалась предметом научных споров:
- Теория относительности связывает скорость перемещения с массой. Если тело имеет массу, отличную от нуля, оно никогда не разовьет скорости света;
- Поскольку долгое время считалось, что нейтрино является "безмассовым" телом, то его скорость принималась на уровне 3*10 5 м/с;
- Согласно исследованиям 2012 года, лептон передвигается на 0,0006% медленнее, чем электромагнитное излучение. Итальянские ученые из проекта OPERA получили другие значения, но об этом подробнее расскажем в следующей главе.
Относительно массы нейтрино наука 2017 года говорит следующее:
- Подтвержденное экспериментально явление осцилляций (превращение в антинейтрино) говорит о наличии массы. Об этом говорил еще итальянский физик-ядерщик Бруно Понтекрово в 1950-х годах;
- Установить точные цифры не представляется возможным. Сегодня это одна из самых нерешенных проблем в физике;
- Ученые делают лишь предположения относительно суммарной массы всех нейтрино во Вселенной. Она не должна превышать 0,3 электронвольт. В противном случае Вселенная перестанет существовать.
Проект OPERA
В 2011 году как гром среди ясного неба была озвучена новость о превышении нейтрино скорости света. Она пришла из итальянской лаборатории проекта OPERA .
Сообщество физиков было взбудоражено:
- Данные эксперимента явно говорят о нарушении специальной теории относительности и крушении современного понимания физики, которое установилось 100 лет назад;
- Частица прибыла на лишь 60,7 миллиардных долей секунды быстрее света, но этого уже достаточно для научного переворота;
- Спустя несколько месяцев после обнародования документов ученые провели повторное испытание, которое подтвердило предыдущие цифры. В авторитетном журнале «Физика высоких энергий» вышла соответствующая статья;
- В марте 2012 года независимые исследователи повторили эксперимент, но его результаты вполне укладывались в текущую картину мира;
- Еще до проверки результатов ряд выдающихся физиков сделали публичные комментарии по поводу новости. Так нобелевские лауреаты Стивен Вайнберг, Джордж Смут и Карло Руббиа выразили скептицизм и недоверие сотрудникам OPERA.
Развенчание сенсационного эксперимента
Однако никакой научной революции не произошло. Об ошибочных результатах заявили сами горе-первооткрыватели:
- Согласно внутреннему расследованию, возможным источником погрешности могла быть слабая связь со спутниковым приемником;
- Другим возможным источником неполадок могли быть электронные часы. Они, вероятно, отсчитывали время быстрее, чем положено;
- Но реальная причина провала оказалась интереснее самых смелых ожиданий. В марте 2012 года - спустя год после сенсационного объявления - оказалось, что виновником был не до конца ввинченный кабель (на этапе сбора данных);
- В июле того же года был проведен контрольный эксперимент, который вполне укладывался в текущие научные представления.
Инцидент вызвал напряженность внутри сообщества сотрудников OPERA. Ряд физиков выразили вотум недоверия пресс-секретарю лаборатории. Последний сложил с себя полномочия и заявил, что раскаивается в чрезмерном раздутии сенсации.
Видео про свойства нейтрино
В данном ролике физик Андреас Роберто расскажет, покажет, как ученым удалось зафиксировать существование этой невесомой частицы:
Нейтрино - это элементарная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда. Она обладает очень малой массой, которая может быть даже нулевой. От массы зависит и скорость нейтрино. Различие во времени прибытия частицы и света составляет 0,0006 % (± 0,0012 %). В 2011 г. в ходе эксперимента OPERA было установлено, что скорость нейтрино скорость света превышает, но независимый опыт этого не подтвердил.
Неуловимая частица
Это одна из наиболее распространенных частиц во Вселенной. Так как она очень мало взаимодействует с веществом, ее невероятно трудно обнаружить. Электроны и нейтрино не участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, но и в равной степени принимают участие в слабых. Частицы, обладающие такими свойствами, называются лептонами. В дополнение к электрону (и его античастице позитрону), к заряженным лептонам относят мюон (200 масс электрона), тау (3500 масс электрона) и их античастицы. Их так и называют: электрон-, мюон- и тау-нейтрино. У каждого из них есть антиматериальная составляющая, называемая антинейтрино.
Мюон и тау, подобно электрону, имеют сопутствующие им частицы. Это мюон- и тау-нейтрино. Три типа частиц различаются друг от друга. Например, когда мюонные нейтрино взаимодействуют с мишенью, они всегда производят мюоны, и никогда тау или электроны. При взаимодействии частиц, хотя электроны и электрон-нейтрино могут создаваться и уничтожаться, их сумма остается неизменной. Этот факт приводит к разделению лептонов на три вида, каждый из которых обладает заряженным лептоном и сопровождающим его нейтрино.
Для обнаружения этой частицы необходимы очень большие и чрезвычайно чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низким уровнем энергии будут путешествовать в течение многих световых лет до взаимодействия с веществом. Следовательно, все наземные эксперименты с ними полагаются на измерении их малой доли, взаимодействующей с регистраторами разумных размеров. Например, в нейтринной обсерватории в Садбери, содержащей 1000 т тяжелой воды, через детектор проходит около 1012 солнечных нейтрино в секунду. А обнаруживается только 30 в день.
История открытия
Вольфганг Паули первым постулировал существование частицы в 1930 г. В то время возникла проблема, потому что казалось, что энергия и угловой момент не сохраняются при бета-распаде. Но Паули отметил, что если будет излучаться не взаимодействующая нейтральная частица нейтрино, то закон сохранения энергии будет соблюден. Итальянский физик Энрико Ферми в 1934 развил теорию бета-распада и дал частице ее имя.
Несмотря на все предсказания, в течение 20 лет нейтрино не могли обнаружить экспериментально из-за его с веществом. Так как частицы электрически не заряжены, на них не действуют электромагнитные силы, и, следовательно, они не вызывают ионизацию вещества. Кроме того, они вступают в реакцию с веществом только через слабые взаимодействия незначительной силы. Поэтому они являются наиболее проникающими способными проходить через огромное число атомов, не вызывая никакой реакции. Только 1 на 10 миллиардов этих частиц, путешествуя через материю на расстояние, равное диаметру Земли, вступает в реакцию с протоном или нейтроном.
Наконец, в 1956 году группа американских физиков во главе с Фредериком Райнесом сообщила об В ее экспериментах антинейтрино, излучаемые ядерным реактором, взаимодействовали с протонами, образуя нейтроны и позитроны. Уникальные (и редкие) энергетические сигнатуры этих последних побочных продуктов стали доказательствами существования частицы.
Открытие заряженных лептонов мюонов стало отправной точкой для последующей идентификации второго вида нейтрино - мюонных. Их идентификация была проведена в 1962 году на основе результатов эксперимента в ускорителе частиц. Высокоэнергетические мюонные нейтрино образовывались путем распада пи-мезонов и направлялись на детектор таким образом, чтобы можно было изучить их реакции с веществом. Несмотря на то что они являются нереакционноспособными, как и другие типы этих частиц, было обнаружено, что в тех редких случаях, когда они реагировали с протонами или нейтронами, мюон-нейтрино образуют мюоны, но никогда электроны. В 1998 г. американские физики Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер получили Нобелевскую премию по физике за идентификацию мюон-нейтрино.
В середине 1970 годов физика нейтрино пополнилась еще одним видом заряженных лептонов - тау. Тау-нейтрино и тау-антинейтрино оказались связанными с этим третьим заряженным лептоном. В 2000 году физики в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми сообщили о первых экспериментальных доказательствах существования этого типа частиц.
Масса
Все типы нейтрино обладают массой, которая гораздо меньше, чем у их заряженных партнеров. Например, эксперименты показывают, что масса электрон-нейтрино должна быть меньше 0,002 % массы электрона и что сумма масс трех разновидностей должна быть меньше 0,48 эВ. В течение многих лет казалось, что масса частицы равна нулю, хотя не было никаких убедительных теоретических доказательств, почему это должно быть именно так. Затем, в 2002 году, в Нейтринной обсерватории в Садбери было получено первое прямое доказательство того, что электрон-нейтрино, испускаемые ядерными реакциями в ядре Солнца, пока они проходят сквозь него, изменяют свой тип. Такие «осцилляции» нейтрино возможны, если один или несколько видов частиц обладают некоторой малой массой. Их исследования при взаимодействии космических лучей в атмосфере Земли также свидетельствуют о наличии массы, но требуются дальнейшие эксперименты, чтобы более точно ее определить.
Источники
Естественные источники нейтрино - это радиоактивный распад элементов в недрах Земли, при котором испускается большой поток низкоэнергетических электронов-антинейтрино. Сверхновые тоже являются преимущественно нейтринным явлением, поскольку только эти частицы могут проникать сквозь сверхплотный материал, образующийся в коллапсирующей звезде; лишь малая часть энергии преобразуется в свет. Расчеты показывают, что около 2 % энергии Солнца - это энергия нейтрино, образованных в реакциях термоядерного синтеза. Вполне вероятно, что большая часть темной материи Вселенной состоит из нейтрино, образовавшихся во время Большого взрыва.
Проблемы физики
Области, связанные с нейтрино и астрофизикой, разнообразны и быстро развиваются. Текущие вопросы, привлекающие большое число экспериментальных и теоретических усилий, следующие:
- Каковы массы различных нейтрино?
- Как они влияют на космологию Большого взрыва?
- Осциллируют ли они?
- Могут ли нейтрино одного типа превращаться в другой, пока они путешествуют через материю и пространство?
- Являются ли нейтрино принципиально отличными от своих античастиц?
- Как звезды разрушаются и образуют сверхновые?
- Какова роль нейтрино в космологии?
Одной из давних проблем, вызывающей особый интерес, является так называемая проблема солнечных нейтрино. Это название относится к тому, что во время нескольких наземных экспериментов, проводившихся в течение последних 30 лет, постоянно наблюдалось меньше частиц, чем необходимо для производства энергии, излучаемой солнцем. Одним из возможных ее решений является осцилляция, т. е. преобразование электронных нейтрино в мюонные или тау во время путешествия к Земле. Так как гораздо труднее измерить низкоэнергетические мюон- или тау-нейтрино, такого рода преобразование могло бы объяснить, почему мы не наблюдаем правильного количества частиц на Земле.
Четвертая Нобелевская премия
Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду за обнаружение массы нейтрино. Это была четвертая подобная награда, связанная с экспериментальными измерениями данных частиц. Кого-то, возможно, заинтересует вопрос о том, почему мы должны так беспокоиться о чем-то, что с трудом взаимодействует с обычной материей.
Сам факт того, что мы можем обнаружить эти эфемерные частицы, является свидетельством человеческой изобретательности. Поскольку правила квантовой механики вероятностны, мы знаем, что, несмотря на то что почти все нейтрино проходят сквозь Землю, некоторые из них будут с ней взаимодействовать. Детектор достаточно большого размера способен это зарегистрировать.
Первое подобное устройство было построено в шестидесятые годы глубоко в шахте в Южной Дакоте. Шахта была заполнена 400 тыс. л чистящей жидкости. В среднем одна частица нейтрино каждый день взаимодействует с атомом хлора, превращая его в аргон. Невероятно, но Раймонд Дэвис, отвечавший за детектор, придумал способ обнаружения этих нескольких атомов аргона, и четыре десятилетия спустя в 2002 году за этот удивительный технический подвиг он был удостоен Нобелевской премии.
Новая астрономия
Поскольку нейтрино так слабо взаимодействуют, они могут путешествовать на огромные расстояния. Они дают нам возможность заглянуть в места, которые иначе мы бы никогда не увидели. Нейтрино, обнаруженные Дэвисом, образовывались в результате ядерных реакций, которые проходили в самом центре Солнца, и смогли покинуть это невероятно плотное и горячее место только потому, что они почти не взаимодействуют с другой материей. Можно даже обнаружить нейтрино, летящее из центра взорвавшейся звезды на расстоянии более ста тысяч световых лет от Земли.
Кроме того, эти частицы позволяют наблюдать Вселенную в ее очень малых масштабах, намного меньших, чем те, в которые может заглянуть Большой адронный коллайдер в Женеве, обнаруживший Именно по этой причине Нобелевский комитет решил присудить Нобелевскую премию за открытие нейтрино еще одного типа.
Загадочная недостача
Когда Рэй Дэвис наблюдал солнечные нейтрино, он обнаружил лишь треть от ожидаемого их количества. Большинство физиков считало, что причиной этого является плохое знание астрофизики Солнца: возможно, модели недр светила переоценивали количество производимых в нем нейтрино. Тем не менее на протяжении многих лет, даже после того, как солнечные модели улучшились, дефицит сохранялся. Физики обратили внимание на другую возможность: проблема могла быть связана с нашими представлениями об этих частицах. В соответствии с превалировавшей тогда теорией они массой не обладали. Но некоторые физики утверждали, что на самом деле частицы имели бесконечно малую массу, и эта масса являлась причиной их нехватки.
Трехликая частица
Согласно теории осцилляции нейтрино, в природе существует три их различных типа. Если частица обладает массой, то по мере движения она может переходить из одного типа в другой. Три вида - электронный, мюонный и тау - при взаимодействии с веществом могут преобразовываться в соответствующую заряженную частицу (электрон, мюон или тау-лептон). «Осцилляция» происходит благодаря квантовой механике. Тип нейтрино не постоянен. Он меняется с течением времени. Нейтрино, начавшее свое существование как электронное, может превратиться в мюонное, а затем обратно. Таким образом, частица, образованная в ядре Солнца, по дороге к Земле может периодически превращаться в мюон-нейтрино и наоборот. Поскольку детектор Дэвиса мог обнаружить только электрон-нейтрино, способное привести к ядерной трансмутации хлора в аргон, то казалось возможным, что недостающие нейтрино превратились в другие типы. (Как оказалось, нейтрино осциллируют внутри Солнца, а не на пути к Земле).
Канадский эксперимент
Единственным способом проверить это было создание детектора, который работал для всех трех типов нейтрино. Начиная с 90-х годов Артур Макдональд из Королевского университета в Онтарио возглавлял команду, которая это осуществила в шахте в Садбери, Онтарио. Установка содержала тонны тяжелой воды, предоставленной в кредит правительством Канады. Тяжелая вода является редкой, но встречающейся в природе формой воды, в которой водород, содержащий один протон, заменен его более тяжелым изотопом дейтерием, который содержит протон и нейтрон. Канадское правительство складировало тяжелую воду, т. к. она используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Все три типа нейтрино могли разрушить дейтерий с образованием протона и нейтрона, а нейтроны затем подсчитывали. Детектор регистрировал примерно в три раза большее число частиц по сравнению с Дэвисом - именно то количество, которое предсказывалось лучшими моделями Солнца. Это позволило предположить, что электрон-нейтрино могут осциллировать в другие его типы.
Японский эксперимент
Примерно в то же время Такааки Кадзита из Университета Токио проводил еще один замечательный эксперимент. Детектор, установленный в шахте в Японии, регистрировал нейтрино, приходящие не из недр Солнца, а из верхних слоев атмосферы. При столкновении протонов космических лучей с атмосферой образовываются ливни других частиц, в том числе мюонные нейтрино. В шахте они превращали ядра водорода в мюоны. Детектор Кадзиты мог наблюдать частицы, приходящие в двух направлениях. Одни падали сверху, приходя из атмосферы, а другие двигались снизу. Число частиц было различным, что говорило о разной их природе - они находились в разных точках своих осцилляционных циклов.
Переворот в науке
Это все экзотично и удивительно, но почему осцилляции и массы нейтрино привлекают к себе столько внимания? Причина проста. В стандартной модели физики элементарных частиц, разрабатывавшейся на протяжении последних пятидесяти лет двадцатого века, которая правильно описывала все остальные наблюдения в ускорителях и других экспериментах, нейтрино должны были быть безмассовыми. Открытие массы нейтрино говорит о том, что чего-то не хватает. Стандартная модель не является полной. Недостающие элементы еще предстоит открыть - с помощью Большого адронного коллайдера или другой, еще не созданной машины.
Скорость света — одна из универсальных физических констант, она не зависит от выбора инерциальной системы отсчета и описывает свойства пространства-времени в целом. Скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду, и это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Так учат нас школьные книги по физике. Еще можно вспомнить о том, что масса тела как раз не является постоянной и при приближении скорости к скорости света стремится к бесконечности. Именно поэтому со скоростью света движутся фотоны — частицы без массы, а частицам с массой это значительно труднее.
Однако международный коллектив ученых масштабного эксперимента OPERA, расположенного недалеко от Рима, готов поспорить с азбучной истиной.
Ему удалось обнаружить нейтрино, которые, как показали эксперименты, движутся со скоростью больше скорости света,
сообщает пресс-служба Европейской организации ядерных исследований (CERN).
Эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) изучает самые инертные частицы Вселенной — нейтрино. Они настолько инертны, что могут пролететь насквозь через весь Земной шар, звезды и планеты, а для того, чтобы они ударились в преграду из железа, размер этой преграды должен быть от Солнца до Юпитера. Каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 10 14 нейтрино, испущенных Солнцем. Вероятность того, что хотя бы одно из них ударится в ткани человека на протяжении всей его жизни, стремится к нулю. По этим причинам регистрировать и изучать нейтрино чрезвычайно трудно. Лаборатории, которые этим занимаются, находятся глубоко под горами и даже подо льдами Антарктиды.
OPERA получает пучок нейтрино из CERN, где находится Большой адронный коллайдер. Его «младший брат» — суперпротонный синхротрон (SPS) — направляет пучок прямо под землей в сторону Рима. Получаемый пучок нейтрино проходит сквозь толщу земной коры, тем самым очищаясь от других частиц, которые вещество коры задерживает, и попадает прямиком в лабораторию в Гран-Сассо, укрытую под 1200 м скалы.
Подземный путь в 732 км нейтрино преодолевают за 2,5 миллисекунды.
Детектор проекта OPERA, состоящий из примерно 150 тысяч элементов и весящий 1300 т, «ловит» нейтрино и изучает их. В частности, основной целью является изучение так называемых нейтринных осцилляций — переходов из одного типа нейтрино в другой.
Ошеломляющие результаты о превышении скорости света подкреплены серьезной статистикой: лаборатория в Гран-Сассо наблюдала около 15 тыс. нейтрино. Ученые выяснили, что
нейтрино движутся со скоростью, на 20 миллионных долей превышающей скорость света — «непогрешимый» предел скорости.
Этот результат стал для них неожиданностью, его объяснения пока не предложено. Естественно, для его опровержения или подтверждения требуются независимые эксперименты, проведенные другими группами на другом оборудовании, — этот принцип «двойного слепого контроля» реализован и на Большом адронном коллайдере CERN. Коллаборация OPERA незамедлительно опубликовала свои результаты, чтобы дать возможность коллегам по всему миру проверить их. Детальное описание работ доступно на сайте препринтов Arxiv.Org .
Официальное представление результатов состоится сегодня на семинаре в CERN в 18.00 по Москве, будет вестись онлайн-трансляция .
«Эти данные стали полной неожиданностью. После месяцев сбора, анализа и очистки данных, а также перекрестных проверок мы не нашли ни в алгоритме обработке данных, ни в детекторе возможного источника системной ошибки. Поэтому мы публикуем наши результаты, продолжаем работу, а также надеемся, что независимые измерения других групп помогут понять природу этого наблюдения», — заявил руководитель эксперимента OPERA Антонио Эредитато из Университета Берна, слова которого приводит пресс-служба CERN.
«Когда ученые-экспериментаторы обнаруживают некий неправдоподобный результат и не могут найти артефакта, который бы его объяснял, они обращаются к своим коллегам из других групп, чтобы началось более широкое исследование вопроса. Это хорошая научная традиция, и коллаборация OPERA сейчас следует ей.
Если наблюдения превышения скорости света подтвердятся, это может изменить наше понимание физики, но мы должны удостовериться в том, что они не имеют другого, более банального объяснения.
Для этого и нужны независимые эксперименты», — заявил научный директор CERN Серджо Бертолуччи.
Проводимые в OPERA измерения чрезвычайно точны. Так, расстояние от точки пуска нейтрино до точки их регистрации (более 730 км) известно с точностью до 20 см, а время пролета измеряется с точностью до 10 наносекунд.
Эксперимент OPERA работает с 2006 года. В нем принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.
Недавно в СМИ появилась информация о наблюдениях сверхсветовой скорости движения нейтрино. Как отмечалось, в среднем скорость нейтрино превышала скорость света на 0.00248 %, что составляет 7435 м/c. По мнению некоторых, это подрывает устои теории относительности. Предлагаем следующее объяснение наблюдаемым фактам, не противоречащее теории относительности.
В теоретической физике вместо понятия «скорость света в вакууме» часто используется понятие «фундаментальная скорость». Фундаментальная скорость — это та скорость, которая используется в преобразованиях Лоренца, входит в знаменитую формулу Эйнштейна, она является инвариантом любых пространственно-временных преобразований систем отсчета. Именно фундаментальная скорость имеется в виду, когда говорят, что ее превышение невозможно. Скорость же света — это скорость распространения света, как физического явления. Так что скорость света в вакууме и фундаментальная скорость, вообще говоря — различные понятия. И количественно они также могут отличаться, пусть и очень незначительно.
Смешение этих понятий до сих пор к недоразумениям не приводило по причине того, что все эксперименты по проверке (и подтверждении) теории относительности давали для фундаментальной скорости именно то значение, которое имела скорость света в вакууме (в пределах ошибок наблюдения). Теперь же, после появления новых данных о сверхсветовой скорости движения нейтрино, вырисовывается следующая гипотеза.
Никакого превышения фундаментальной скорости нет. Но есть превышение над скоростью света. Нейтрино всегда движутся с фундаментальной скоростью. А вот свет движется со скоростью, несколько меньшей, чем фундаментальная, что и приводит к выводу о сверхсветовой скорости нейтрино .
Складывая скорость света в вакууме с избытком скорости нейтрино, получим для фундаментальной скорости значение 299799893 м/с. Все формулы теории относительности остаются в силе, но принципиальный вывод из всего вышесказанного состоит в том, что фотоны можно останавливать, что у них есть ненулевая масса покоя. К сожалению, из опубликованных данных неясно, фотоны какого цвета использовались для измерения их скорости. Поэтому предположим, что — желтого, с энергией 2.15 эВ. Тогда, сопоставляя энергию желтых фотонов с формулой для энергии движущегося со скоростью v тела
где h — постоянная Планка, ν — частота фотона, m 0 — его масса покоя, получим для последней ее значение 2.68 10 -38 кГ, что составляет 2.9 10 -8 массы покоя электрона.
Отметим теперь, что фотоны разного цвета обладают разной энергией. Как это связано с их скоростью? Здесь можно рассмотреть два варианта. Первый — все фотоны движутся с одной и той же скоростью, равной 299792458 м/c, отличаются же друг от друга фотоны разного цвета разной массой покоя. То есть разновидностей фотонов — очень много. Второй — фотоны всех цветов имеют одну и ту же массу покоя, отличаются же друг от друга скоростью. Если это так, то фотоны синего цвета, с энергией 2.7 эВ, движутся со скоростями, меньшими, чем фундаментальная, на 0.00155 %. Таким образом, разность скоростей движения синих и желтых фотонов составляет 0.00093% от фундаментальной скорости, или, в абсолютных единицах — 2.8 10 3 м/c. Это означает, что синие фотоны в процессе движения должны несколько опережать желтые. А это, в свою очередь, означает, что существует следующая возможность проверки высказанной выше гипотезы.
Пусть в нашей Галактике на расстоянии 3 пк. от Земли произошло некоторое событие, сопровождающееся выбросом фотонов всех цветов. Тогда, исходя из вышеприведенных чисел, найдем, что синие фотоны прибудут на Землю на 48 минут раньше, чем желтые. Это вполне доступно наблюдениям.
Далее, проверку можно было бы осуществить наблюдениями цефеид. Известно, что цефеиды — это объекты переменной яркости. Естественно предполагать, что максимум яркости цефеиды в желтой части спектра должен совпадать с максимумом ее яркости в синей, если наблюдения проводятся в непосредственной близости. При наблюдениях же с Земли должен быть сдвиг по времени между максимумами яркости в желтой и синей части спектра. Данный эффект должен быть прямо пропорционален расстоянию между Землей и цефеидой.
Пинск, Беларусь
Комментарии
Хорошо известно, что гипотеза тахионов не противоречит основным принципам СТО. Сразу стоит обратить внимание на тот факт, что известный постулат теории гласит о постоянстве скорости света, а не ее максимальности.
Когда Эйнштейн записывал свои постулаты для специальной теории относительности, он не добавил к ним постулат о невозможности сверхсветового движения. Некоторые ошибочно считают, что невозможность сверхсветового движения - следствие имеющихся постулатов.
ты не прав
Фотон - ЭМВ, у ЭМВ НЕТ массы и в покое она не существует, поэтому, персонально для фотона, нельзя связывать его Энергию с пониятием его Массы. Понятие "Энергия" универсально, а понятие Масса узко, относится только объектам её имеющим и к фотону не применимо. А скорость ЭМВ в вакууме, как здесь же прально написано, есть - предельный процесс, скорость распространения которого не завист от длины волны. Скорость падает при прохождении через среду из-за спицифических взаимодействий ЭМВ=фотона с в-вом. Пропорционально уменьшается и длина волны в в-ве, без собственно увеличеия Энергии (потерь нет), в отличии от разночастотных ЭМВ=фотонов в вакууме, эквивалентная Энергия которых различна.
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.