Почему физики скептически относятся к данным о сверхсветовых нейтрино

В конце прошлой недели коллаборация OPERA опубликовала результаты эксперимента, в котором измеряемая скорость движения нейтрино превысила скорость света в вакууме. Физики, в отличие от СМИ, комментировали эти сенсационные данные очень осторожно, высказывая сомнения в их истинности. Мы попытаемся выделить основные проблемы, на которые указывают скептики.

Стоит сразу сказать, что серьёзных вопросов по погрешности измерений расстояния и времени пока не возникало. Учёные, как предполагается, действительно сумели синхронизировать отсчёт времени в лаборатории Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), где смонтирован источник нейтрино, и подземной Национальной лабораторией Гран-Сассо с расположенным в ней детектором, а также оценили длину отрезка прямой, соединяющей две установки, с точностью до 20 см.

Беспокоит физиков другое — используемый OPERA метод оценки скорости. Хотя в интервью ScienceNOW представитель коллаборации Антонио Эредитато (Antonio Ereditato) и заявлял, что скорость вычисляется очевидным «школьным» способом, то есть делением измеренного расстояния на измеренное время, он немного лукавил: на самом деле всё не так просто.

Во-первых, точно определить расстояние, пройденное нейтрино, невозможно, о чём сами авторы работы упоминают в подготовленном ими препринте. Устранить этот недостаток не позволяет схема получения нейтрино, в которой задействован суперпротонный синхротрон ЦЕРН, подающий разогнанные протоны на графитовую мишень. Здесь рождаются пионы и каоны, которые затем направляются в километровый тоннель. В какой-то момент полёта они распадаются с образованием нейтрино, причём этот момент остаётся неизвестным; к счастью, пионы и каоны также летят со скоростью, приближенной к световой, и успешно «подменяют» нейтрино на своём участке пути, не внося существенной погрешности.

Чёрным показано распределение отмеченных нейтринных событий по времени регистрации, а красным — условный сигнал, который распространяется со скоростью света в вакууме. Хорошо видно, что реальный сигнал приходит примерно на 1 000 нс раньше; когда этот сдвиг вводят искусственно (см. правое верхнее изображение), наблюдается хорошее согласование. При учёте известных эффектов упомянутый интервал в тысячу с лишним наносекунд сокращается до 60,7 нс, что и называют тем временем, на которое нейтрино опережают свет. В нижней части рисунка показаны передний и задний фронты распределения. (Иллюстрация OPERA Collaboration.)

Во-вторых, физики не имеют возможности соотнести нейтрино, провзаимодействовавшее в детекторе OPERA, с протоном, который породил зарегистрированную частицу. Этот недостаток эксперимента вносит заметные коррективы в методику: поскольку длительность каждого сеанса выведения протонов на мишень (по меркам исследования, ориентированного на наносекундные величины) огромна и составляет 10,5 мкс, учёным приходится рассматривать не отдельные события, отмеченные детектором, а их совокупность, и сравнивать (см. рис. выше) измеренное распределение моментов регистрации множества нейтрино с ожидаемым распределением. Последнее рассчитывается по известным временным характеристикам пучка протонов, которые определяет отдельный детектор, смонтированный в 743 м перед мишенью.

Хотя обнаружить серьёзную ошибку в рассуждениях авторов никому пока не удалось, описанный способ обработки данных многим кажется ненадёжным. К примеру, российский физик Игорь Иванов в своём блоге обращает внимание на то, что сотрудники OPERA по какой-то причине реализовали не все возможности выбранной методики: совмещая распределение нейтрино по временам прихода, которое имеет трапециевидную форму с резкими передним и задним фронтами и широким срединным плато с небольшими колебаниями, с ожидаемым профилем, они ориентируются в основном на крутые фронты. При этом интенсивность пучка протонов, контролируемая перед мишенью, имеет, помимо чётких фронтов, характерные флуктуации, хорошо различимые на рисунке ниже. По мнению г-на Иванова, соответствующие флуктуациям всплески внутри трапециевидного сигнала можно было бы использовать при анализе для повышения точности.

Интенсивность протонного пучка, выдаваемого суперпротонным синхротроном (иллюстрация OPERA Collaboration).
Интенсивность протонного пучка, выдаваемого суперпротонным синхротроном (иллюстрация OPERA Collaboration).

Говоря о своём настороженном отношении к новым результатам, специалисты также указывают на огромный разрыв между измерениями OPERA и другими экспериментальными данными — наблюдениями сверхновой SN 1987A. Известно, что приблизительно за три часа до того, как видимый свет вспышки сверхновой достиг Земли, три нейтринные обсерватории зарегистрировали превышение обычного фонового потока. Вероятнее всего, нейтрино и фотоны просто испускались в разные моменты времени, но даже в предположении о сверхсветовых нейтрино величина (v – с)/с — относительная разность скоростей нейтрино и света в вакууме — не должна превышать 2•10–9. Несмотря на то что временнóй сдвиг кажется очень значительным, разность скоростей получается ничтожной, так как взрыв произошёл на удалении в 168 000 световых лет от Земли.

Расчёты коллаборации OPERA, напомним, дают (v – с)/с = [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10–5 — значение, на четыре порядка превышающее установленный предел; если бы нейтрино, испущенные SN 1987A, двигались с такой скоростью, они пришли бы гораздо раньше. Это очевидное расхождение можно было бы списать на то, что частицы от SN 1987A, энергия которых измерялась десятками мегаэлектронвольт, и нейтрино OPERA со средней энергией в 17 ГэВ находятся, так сказать, в разных весовых категориях, но тогда теоретикам пришлось бы вводить необычайно сильную зависимость скорости нейтрино от энергии. В самом эксперименте OPERA никаких признаков такой зависимости найдено не было, хотя физики пробовали разделять данные на два примерно равных по объёму массива, содержащих зарегистрированные нейтрино с энергиями ниже и выше 20 ГэВ. В низкоэнергетической выборке величина δt (разность времён прохождения дистанции, одно из которых рассчитывается для света в вакууме, а другое — измеряется опытным путём для нейтрино) оказалась равна 53,1 ± 18,8 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс, а в высокоэнергетической — 67,1 ± 18,2 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс. Установить какую-либо зависимость от энергии здесь невозможно.

Все эти соображения, разумеется, не остановили теоретиков, уже давно изучающих возможность существования частиц (тахионов), которые движутся со сверхсветовой скоростью. Первые препринты, истолковывающие данные OPERA, появились на сайте arXiv ещё вчера. Одной из наиболее интересных кажется работа германского физика Франса Клинкхамера (Frans Klinkhamer) из Технологического института Карлсруэ, который сохранил действие принципа причинности в своей модели, но поступился лоренц-инвариантностью.

Подготовлено по материалам блогов Resonaances, viXra, The Reference Frame.

28 Сентября 2011, 3:14    Den    12203    8

Комментарии (8):

Alexey Pasechnik  •  28 September, 11:07

«Расчёты коллаборации OPERA, напомним, дают (v – с)/с = [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10–5 — значение, на четыре порядка превышающее установленный предел; если бы нейтрино, испущенные SN 1987A, двигались с такой скоростью, они пришли бы гораздо раньше».

1680002.4810–5 = 4.17 года.

Кто-нибудь анализировал архивы нейтринных наблюдений за 1982-1983 годы?

den  •  28 September, 16:23

К Alexey Pasechnik от 28 September, 11:07

 

Насколько я знаю нет, более того не уверен что эти массивы существуют, а даже если они и есть, то точность этих данных, не позволит сделать каких либо выводов.
 
Хотя конечно идея достаточно хороша, сначала искать нейтринные всплески именно (!?) от сверхновых, а потом отождествлять их с оптическими источниками.
astronom  •  3 October, 10:00

 

В звёздах очень плотная среда, свет с трудом её проходит;).

А нейтрино успевают высвободиться раньше и прилетают раньше, ничего удивительного в этом нет;)

doreams  •  12 Января 2012, 9:13
После открытия в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном электромагнит- ного излучения, подтвердившего справедливость «горячей» модели Все- ленной Гамова и положившего, по существу, начало физической кос- мологии, стали успешно развиваться, с одной стороны, теория процессов вблизи сингулярности, описывающая очень ранние этапы эволюции «стандартной» модели Вселенной, и с другой, — эволюционная теория крупномасштабной структуры Вселенной.
doreams  •  12 Января 2012, 9:13
В настоящее время новые идеи в космологии связаны прежде всего с быстрым прогрессом в теории элементарных частиц и квантованных полей (это синоним!). На протяжении многих лет казалось, что задачей физики является описание природы на основе заданных свойств мини- мального набора частиц. В качестве такого набора рассматривались про- тоны и электроны; квантовая теория привела к представлению о фотонах как о частицах, ядерная физика открыла нейтрон. Изучение Р-распада обогатило физику новыми частицами — нейтрино. Теория ядерных сил привела к представлению о мезонах — квантах соответствующего поля. Наконец, теория античастиц почти удвоила набор частиц, но восстановила симметрию между положительным и отрицательным электричеством.
doeams  •  12 Января 2012, 9:13
Вдохновляющая задача наиболее экономного описания природы с помощью наименьшего числа частиц привела к большим успехам. Вся химия, биология, физика твердого тела, физика плазмы и многие другие разделы естествознания прочно базируются на этих принципах. Однако физика высоких энергий, исследование космических лучей и особенно эксперименты на мощных ускорителях полностью опровергли «мини- мальный», «экономный» подход как'общенаучный принцип. Уже в 40-х го- дах были открыты «лишние», «ненужные» частицы — мюон и «стран- ные» частицы. Число частиц стало расти угрожающим темпом. «Откроем новую элементарную частицу в IV квар- тале!» — этот лозунг из стенной газеты (фильм «9 дней одного года») должен звучать иронически. Но если учесть, что за 30 лет открыто около 300 частиц, то можно сказать, что план перевыполнен!
doreams  •  12 Января 2012, 9:13
Под воздействием таких экспериментальных достижений меняется и точка зрения теоретиков. Возникают теории, систематизирующие части- цы в семейства, теории симметрии и суперсимметрии частиц. Условия перепомируемости теории приводят к идее спонтанного нарушения сим- метрии, предсказываются новые типы полей («хиггсовские поля»).
vovan  •  14 Января 2012, 20:11
Европейские политики любят говорить в последнее время об огромных дырах в бюджете. Будем надеяться, что их размеры не имеют ничего общего с двумя черными дырами, которые обнаружили американские астрономы и описали в отчете, опубликованном в журнале «Природа». Они обнаружили две черные дыры, масса которых в десять миллиардов раз больше массы нашего Солнца. (Для сравнения, черная дыра в центре нашей галактики имеет только около четырех миллионов солнечных масс.)

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.