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 1014 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
«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.
Повторные эксперименты с нейтрино, проведенные в ноябре, подтвердили превышение скорости света.
Глава лаборатории элементарных частиц Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) Наталья Полухина, которая входит в состав команды OPERA, сообщила Агентству РИА Новости, что после проведения повторных экспериментов выяснилось, что 730 км между ускорителем и детектором частицы преодолевали на 57 наносекунд быстрее скорости света: «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».
Небольшой экскурс в историю этого довольно странного названия – «нейтрино».
Когда эта частица впервые появилась в физике, ученые уже твердо знали, что существуют такие элементарные частицы, как нейтроны и протоны – «кирпичики», составляющие атомное ядро. Нейтрон не имеет электрического заряда, и по этой причине он получил такое название.
В 1931 г. известный швейцарский физик Вольфганг Паули по причинам, которые я объясню ниже, пришел к выводу, что в природе должна существовать еще одна нейтральная частица с массой, намного меньшей, чем у нейтрона, как он говорил, «маленький нейтрон». Когда он излагал эту идею с трибуны одного международного научного совещания, итальянский физик Энрико Ферми перебил его словами:
Называйте его «нейтрино»!
Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание «ино» соответствует русским суффиксам «чик» или «ушк». Так что нейтрино в переводе с итальянского будет означать «маленький нейтральный», или просто «нейтрончик».
Подожди, Сэнсэй, что значит в значительной степени проявляется Аллат?! Я что-то не совсем понял,- проговорил Николай Андреевич.
Видишь ли. Нейтрино в значительной степени отличается от других так называемых элементарных частиц. Во-первых, нейтрино может иметь массу, а может не иметь. Может взаимодействовать с гравитационным полем, с теми же магнитными или электромагнитными полями, а может, и нет. Более того, нейтрино способно перемещаться со скоростью света, но в отличие от него может замедляться и менять свою траекторию. И, пожалуй, самые фантастические с позиции современной физики возможности нейтрино заключаются в его способности мгновенно перемещаться на неограниченные расстояния.
Это как? - спросил Женя.
Элементарно. Взаимодействуя с гравитационным полем, нейтрино переходит из одного состояния в другое. Скажем так, из состояния частицы в состояние энергии со строго определённой частотой, при этом «возбуждая» гравитационное поле, к примеру, в определённой точке нашей солнечной системы, оно вызывает ответное возбуждение в определённой точке гравитационного поля в другой галактике. И таким образом, без потери времени и независимо от пространства, нейтрино исчезает здесь и сейчас и появляется там и сейчас. Как говорят физики, образует «червоточину» во времени и пространстве.
Вот это да! - вырвались возгласы ребят.
Используя естественные, вернее, физические свойства нейтрино, люди также смогут преодолевать любые расстояния без потери времени и минимуме энергозатрат.
Ну, если честно, то звучит как фантастика, - скептически заметил Николай Андреевич.
Ну, если честно, - Сэнсэй сделал акцент на первых словах, - то ещё сто лет назад атомная бомба тоже была фантастикой… А что касается нейтрино, то я скажу даже больше: не было бы нейтрино, то не было бы жизни. Нейтрино играет колоссальную роль в образовании видимого вами мира. И кстати имеет, так же как и Аллат, цельную единицу времени - 11 минут 56,74 секунд.
- Анастасия НОВЫХ Эзоосмос
Ученые в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) обнаружили, что нейтрино двигаются со скоростью выше скорости света.
В соответствии с теорией относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. 23 сентября рано утром исследователи проекта OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) в ЦЕРНе объявили, что результаты недавнего эксперимента показывают: нейтрино действительно могут обогнать световые частицы (фотоны).
Нейтрино – электрически нейтральные субатомные частицы, которые почти не имеют массы. Проект OPERA занимается изучением характеристик нейтринного пучка, порожденного ускорителем ЦЕРНа в Женеве (Швейцария), который несется до подземной лаборатории в Гран Сассо (Италия), находящейся в 732 км к югу. Фотонам требуется 2,4 миллисекунды, чтобы преодолеть это расстояние. После проверки скорости нейтрино оказалось, что они добрались до Гран Сассо немного раньше. «Немного раньше» – это на 20 миллионных долей выше скорости света, считавшейся пределом существующих скоростей в природе. Результат OPERA основан на наблюдении за 15000 нейтринных событий.
По словам участника эксперимента в ЦЕРНе Антонио Эредитато, этот результат совершенно неожиданный. Измерения проведены с наносекундной точностью. Ученые перепроверяли результаты на возможные ошибки, но не нашли ни одной. Если результаты наблюдения на самом деле точные, последствия для мира физики могут стать ошеломляющими. «Если эти результаты подтвердятся, они изменят наши представления о физике. Но мы должны быть уверены, что нет других, более приземленных, им объяснений», - говорит Серджио Бертолуччи, директор по научной работе ЦЕРНа.
Эксперименты на детекторе OPERA начались в 2006 году, их основной целью стало изучение редких преобразований мюонных нейтрино в тау-нейтрино. (Тау-нейтрино появляются в процессе движения – из Швейцарии в Италию высылаются мюонные нейтрино.) Первый такой случай наблюдался в 2010 году, что доказало уникальную способность детектора регистрировать неуловимый сигнал тау-нейтрино. Сейчас группа экспериментаторов, проводивших исследования на детекторе OPERA, предоставила свои данные научному сообществу для оценки. Они надеются, что кто-нибудь попытается воспроизвести их результаты. На проверку, возможно, уйдет много времени – месяцы и даже годы. Например, для этого эксперимента данные собирались в течение трех лет. Таким образом, прежде чем будет сделано независимое опровержение или, наоборот, подтверждение результата, пройдет немало времени.
Подписи к иллюстрациям:
1) Детектор OPERA, который находится на глубине 1400 м под итальянскими Альпами в подземной лаборатории Гран-Сассо, весит 1800 тонн и напичкан электроникой и тяжелыми фотопластины.
2) Путь частиц из Женевы в Гран-Сассо.
23 сентября 2011 года из Италии пришла удивительная новость - мюонные нейтрино, возникающие при распаде мезонов, движутся быстрее света. Эта новость является удивительной для любого сколь-нибудь образованного человека, ведь он знает - теория относительности Эйнштейна запрещает двигаться чему-либо так быстро. Как оказалось, революции в физике пока не произошло, но сам факт ее теоретической возможности и ненулевой вероятности заслуживает отдельного рассказа.
Кто вы, мистер нейтрино?
В 1914 году английский физик Джеймс Чедвик, изучая бета-распад (это когда ядро некоторого элемента неожиданно излучает электрон или позитрон), обнаружил интересный и пугающий факт - энергия получившегося в результате распада ядра меньше расчетной. Несколько десятилетий эта проблема мешала физикам жить, ведь закон сохранения энергии - вещь совершенно фундаментальная. Дошло до, казалось бы, абсурда - какое-то время сам Нильс Бор, классик квантовой механики, готов был признать, что закон сохранения в микромире не обязан выполняться, поскольку тому нет "ни экспериментальных, ни теоретических доказательств".
В 1930 году Вольфганг Паули, скрепя сердце, решился ввести новую частицу. "Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому что, если бы нейтрино существовало, оно было бы давно открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает. Поэтому мы должны серьезным образом обсуждать любой путь к спасению", - написал он в своем знаменитом письме к Тюбингенскому научному конгрессу (тогда физики еще болезненно воспринимали необходимость введения новых частиц).
Полученную частицу окрестили нейтроном, поскольку она имела нулевой электрический заряд. Тут случился забавный казус - в 1932 году Чедвик открыл нейтральную частицу, которую тоже назвал нейтроном. Из-за этого, когда через два года Энрико Ферми представил уже полноценную теорию бета-распада (тогда уже было понятно, что нейтрон Паули и нейтрон Чедвика совсем разные), ему потребовалось переименовать придуманную Паули частицу. Он и стал автором термина "нейтрино", что можно перевести как "нейтрончик".
Младший брат нейтрона хоть и спас закон сохранения энергии (а также, как выяснилось чуть позже, законы сохранения импульса и момента количества движения), но оказался частицей довольно неприятной. Во-первых, выяснилось, что он очень неохотно взаимодействует с материей - при энергиях в 3-10 мегаэлектронвольт длина свободного пробега частицы составляет порядка 100 световых лет. Кроме этого, оказалось, что Солнце просто-таки бомбит нашу планету нейтрино - через площадку в 1 квадратный сантиметр за секунду проходит порядка 100 миллиардов нейтрино, - однако мы этого не замечаем.
В 1960-е годы выяснилось, что существует несколько типов нейтрино (за экспериментальное подтверждение этого факта Леон Ледерман, Мэдвин Шварц и Джек Стейнбергер в 1988 году получили Нобелевскую премию по физике). В частности, они обнаружили, что есть электронные нейтрино, а есть и мюонные, возникающие при распаде пи-мезонов.
Скоро сказка сказывается, но не скоро дело делается - в начале 2000-х ученые уже знали про нейтрино много, но при этом, правда, большая часть информации была получена экспериментально. С точки зрения теории, нейтрино было и остается крепким орешком - часто на один и тот же вопрос разные теоретические предпосылки давали и дают диаметрально противоположные ответы. Еще одной трудностью в изучении данных частиц являются масштабы детекторов, которые необходимо строить (об этом, впрочем, чуть ниже).
Как бы то ни было, но на настоящий момент известно, что всего есть три поколения нейтрино - тау, мюонные и электронные. У каждой частицы есть ее антипод - антинейтрино соответствующего поколения. Выяснилось, что нейтрино - непостоянная частица, поэтому во время движения осциллирует, то есть может превращаться из частицы одного поколения в частицу другого. Из этого непосредственно вытекает (здесь мы, конечно, опускаем пять - десять страниц вычислений и кучу научных работ), что масса покоя у этой частицы ненулевая - до недавнего времени, кстати, физики были в этом совсем не уверены. Более того, уже упоминавшийся Паули, по сути папа нейтрончика, считал этот параметр нулевым.
В последние годы нейтрино часто попадали в новости как частицы, которые просто никак не хотят укладываться в стандартную модель. Например, в 2010 году ученые, работающие с экспериментом MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search - поиск нейтринных осцилляций с использованием главного инжектора) в Миннесоте, объявили, что им удалось найти различия у нейтрино и антинейтрино. Так, оказалось, что процесс осцилляции для этих двух видов , а квадраты разности масс разных поколений в одном из случаев оказались на 40 процентов меньше для антинейтрино, чем для нейтрино (понятное дело, что с точки зрения современной теории элементарных частиц это просто недопустимо). В 2011 году японский детектор T2K, который ловит нейтрино, испускаемые ускорителем в комплексе J-PARC, зарегистрировал ранее неизвестный тип осцилляции - мюонные нейтрино превращались в электронные (хотя могут только в тау) - что тоже стало для большинства физиков полной неожиданностью.
Понятное дело, что все эти трудности не выходили за рамки физики элементарных частиц - в упомянутых случаях, между прочим, физики ограничились докладами, так и не сделав по собранным данным работ, ссылаясь на "недостаточную статистическую достоверность результатов". Но, вероятно, нейтринные странности копились слишком долго, и гром грянул 23 сентября 2011 года.
Быстрее света
Именно в этот день мир облетела новость от ученых, работающих с детектором OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus - проект по изучению нейтринных осцилляций, использующий анализ эмульсионных пленок) - кстати, тем самым детектором, на котором в 2010 году впервые напрямую удалось зарегистрировать факт пресловутых нейтринных осцилляций. Изучая отличие скорости нейтрино от скорости света, они обнаружили, что мюонные нейтрино не только не отстают от света, как положено с точки зрения теории относительности массивным частицам, но и обгоняют его!
Тут необходимо понимать две вещи. Во-первых, в теоретических расчетах сверхсветовые скорости получаются сплошь и рядом. В Википедии есть несколько неплохих примеров - особенно впечатляет, что, когда крутишь головой, в системе координат, связанной с ней, Луна движется быстрее скорости света. При этом общий консенсус при объяснении таких феноменов довольно прост: подобные процессы не позволяют передавать информацию, а, значит, вполне допустимы.
Во-вторых, скепсис к новому открытию подогревала и подача материала новостными агентствами. Вот, например, как это преподнесли "Вести" . В сюжете фигурировали фразы наподобие "Европейские ученые растерянно пожимают плечами и думают, а что дальше-то делать? ", "Ученые не поверили своим собственным данным и кинулись все перепроверять, но получили тот же результат" и совершенно фантастическое "теория относительности в этом случае летит в тартарары". После этого, понятное дело, возникает мысль о том, что ученых снова не так поняли.
Вместе с тем ситуация оказалась намного серьезнее. В архиве препринтов Корнельского университета с подробным изложением результатов экспериментов. В ней, среди прочего, говорится, что в рамках эксперимента ученым удалось зарегистрировать 16111 событий, когда нейтрино приходили раньше расчетного времени. Статистический анализ позволил установить, что в среднем скорость мюонного нейтрино превышает скорость света на 0,00248 процента. Надо сказать, что это не первое заявление подобного рода - в 2007 году MINOS обнаружил, что нейтрино от ускорителя в лаборатории Ферми приходят чуть раньше, чем нужно (тогда, правда, ученые посчитали это ошибкой в измерениях).
В распространенном по случаю появления статьи пресс-релизе говорится, что авторы работы понимают все последствия, которые несет их заявление, поэтому не намерены публиковать работу в рецензируемом журнале до тех пор, пока у их результата не появится независимое подтверждение. В частности, именно MINOS мог бы подтвердить результаты итальянского детектора. При этом, как говорит Антонио Эредитато, представитель коллаборации OPERA (в ней принимают участие 160 ученых из разных стран, включая Россию), эксперимент ученых устроен достаточно просто: "Мы измеряем расстояние, измеряем время и делим одно на другое - так же, как делается в школе".
На самом деле, конечно, Эридитато лукавит. Сначала в суперпротонном синхротроне (SPS), что расположен в CERN на границе Франции и Швейцарии и обычно используется для предварительного разгона пучков для Большого адронного коллайдера, каждые шесть секунд протоны бомбят графитовую мишень. В результате этого возникают мезоны, которые в полете начинают распадаться с выделением мюонных нейтрино (для этого частицам предоставлен туннель длиной в один километр). Полученные частицы пролетают 730 километров (расстояние измеряется с точностью до 20 сантиметров), пересекая несколько государственных границ, и оказываются в Италии, где их уже ждут в Национальной лаборатории Гран-Сассо .
Здесь, под толщей горных пород в 1,4 километра (при этом, кстати, комплекс почти на километр выше уровня моря), располагается крупнейшая в мире лаборатория по изучению элементарных частиц. Подобное расположение позволяет свести к минимуму фон, создаваемый элементарными частицами из космоса и земных недр. Здесь частицы регистрируются при помощи детектора, состоящего из 150 тысяч фотоэмульсионных пластин, свинцовых прослоек толщиной около миллиметра и магнитного спектрографа.
Понятное дело, что образование нейтрино завязано на вероятности, поэтому ученые получали некоторое статистическое распределение. Главным достижением ученых была невероятно точная синхронизация (порядка 10 наносекунд) часов в CERN и в Италии. Для этого, в частности, ученые привлекли специалистов из CERN и METAS (это швейцарские метрологи). Открытию посвятили пресс-конференцию, которую транслировали в интернет прямо из CERN вечером 23 сентября 2011 года.
Возможные объяснения
Самым популярным пока объяснением обнаруженного феномена называют систематическую ошибку в измерениях. "Эти результаты - следствие систематической ошибки в измерениях. Я бы не стал клясться женой и детьми - им это не понравится, но могу поклясться собственным домом", - приводит ScienceNOW слова Чен Кен Джуна, физика из Университета Стоуни-Брук.
Другие ученые не столь оригинальны в своих высказываниях, однако тоже отмечают, что результат итальянского детектора - не первая попытка опровергнуть постулат Эйнштейна о предельности скорости света. Вместе с тем во всех работах подобного рода рано или поздно обнаруживались ошибки. Стало быть, обнаружатся они и в этой работе. Некоторые исследователи отмечают, что данный результат может служить подтверждением экзотических физических теорий, которые, например, предполагают наличие дополнительных измерений (как именно связана высокая скорость нейтрино с подобными теориями, не уточняется).
Наконец, самый простой вариант заключается в том, что гравитация Эйнштейна требует каких-нибудь поправок. В частности, например, есть вариант нарушения лоренц-инвариантности нейтринных осцилляций (в похожем направлении работают физики по всему миру, пытаясь, в частности, включить в Стандартную Модель тахионы - частицы, изначально движущиеся со скоростью, большей скорости света). Адепты такого рода теорий вполне могут оказаться теми самыми физиками, которым удалось "заглянуть" в будущее.
В общем, неважно, кто окажется прав - главное, чтобы открытие ученых не оказалось досадной систематической ошибкой. Ведь это будет означать настоящую революцию в физике, а это всегда очень здорово.
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. |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Области, связанные с нейтрино и астрофизикой, разнообразны и быстро развиваются. Текущие вопросы, привлекающие большое число экспериментальных и теоретических усилий, следующие:
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
