"Сверхсветовые" нейтрино выдержали повторную проверку

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 детектора в тоннеле Гран-Сассо (Италия) в среднем на 60 наносекунд быстрее, чем предполагали расчеты.

Это вызвало поток сообщений в прессе об "опровержении" теории 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 энергии 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 детектор.

Для определения скорости нейтрино необходимо измерить путь и время прохождения частицей этого пути. Расстояние между ЦЕРНом и детектором 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 теоретические аргументы против возможности сверхсветового движения нейтрино:

Группа физиков из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США) и Телль-Авивского университета (Израиль) представила результаты теоретических расчётов, противоречащие данным о сверхсветовых нейтрино.

Первое сообщение о мюонных нейтрино ν_μ, движущихся быстрее света в вакууме, было опубликовано коллаборацией OPERA в сентябре. Пучок частиц, отправляемых к детектору с расстояния в ~730 км, имел среднюю энергию в ~17,5 ГэВ, и на этой энергии скорость ν_μ (v), как выяснили участники эксперимента OPERA, превышала световую (c) приблизительно на 7,5 км/с. Это превышение можно выразить через параметр α = (v – c)/c, который будет равняться 2,48•10^–5.

В ноябре исходные данные были перепроверены, но никаких серьёзных ошибок сотрудники OPERA не нашли, лишь уточнив значение α, снизившееся до 2,37•10^–5.

Далеко не все теоретики, однако, соглашаются с тем, что в опыте действительно были зарегистрированы сверхсветовые нейтрино. Совсем недавно мы, к примеру, обсуждали статью американцев Эндрю Коэна (Andrew Cohen) и Шелдона Глэшоу (Sheldon Glashow), рассмотревших эффект уменьшения энергии ν_μ, движущихся со сверхсветовой скоростью, за счёт испускания электрон-позитронных пар, аналогичного давно известному черенковскому излучению. Этот процесс должен жёстко ограничивать энергию нейтрино, достигающих детектора OPERA, причём верхняя граница находится довольно далеко от указанного выше среднего значения — на уровне 12,5 ГэВ. Такие искажения легко обнаружились бы и в самом эксперименте OPERA, и в родственном проекте ICARUS, который использует тот же пучок мюонных нейтрино, но ничего подобного отмечено не было.

Американо-израильская группа подошла к проблеме с другой стороны, проследив связь между сверхсветовым движением нейтрино и кинематикой распада пионов (пи-мезонов). Здесь стоит напомнить, что источником ν_μ, попадающих в детектор OPERA, становится суперпротонный синхротрон Европейской организации по ядерным исследованиям, который разгоняет протоны до 400 ГэВ и подаёт их на графитовую мишень, где рождаются пионы. Последние затем направляются в километровый тоннель и в полёте распадаются на ν_μ и мюоны.

Выполнив относительно простые расчёты, основанные на законах сохранения энергии и импульса для распадов, авторы показали, что в условиях эксперимента OPERA — при использовании нейтрино и пионов со средними энергиями 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.