Хронология далекого прошлого 18 тысяч лет назад... 330 миллионов лет назад... Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять? Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино

23.09.2011

Рис. 1. Общий вид той части ЦЕРНа, где протонный пучок выводится из ускорителя SPS и порождает нейтринный пучок, летящий в направлении лаборатории Гран-Сассо. Изображение из обсуждаемой статьи

В пятницу 23 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, 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 со гласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.

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 н 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. П этому 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 временным разрешением (см. рис. 2).

Рис. 2. Типичный профиль интенсивности протонного пучка, вылетающего из ускорителя SPS. Справа показана наносекундная структура пучка. Время на этом графике <<течет>> слева направо. Изображение из обсуждаемой статьи

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 детектиров ания 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.

Рис. 3. Распределение моментов регистрации нейтрино относительно условного начала отсчета. По горизонтальной оси показано время в наносекундах, по вертикальной -- количество нейтринных событий с такой задержкой по времени. Красная линия показывает гипотетический <<опорный>> сигнал. Изображение из обсуждаемой статьи

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 срабаты вания 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 исключитель но 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 обы ном 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 ты сячи 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 б 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 -- тахи оны 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  втора). 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.

Источники:

• OPERA Collaboration. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam // е-принт arXiv:1109.4897 [hep-ex].
• Dario Autiero. New results from OPERA on neutrino properties, доклад на специальном семинаре в ЦЕРНе 23 сентября 2011 года.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

23.09 Чем грозит для морских экосистем увеличение уловов мелкой рыбы?

К каким последствиям может привести увеличение уловов мелкой рыбы, большей частью ради производства белкового корма и удобрений? Построив модели пищевых связей в пяти важнейших промысловых районах океана, международная группа исследователей пришла к выводу, что даже существующие объемы вылова могут вызвать заметное сокращение численности птиц, морских млекопитающих и хозяйственно ценной рыбы.

22.09 Дрожжи отказались от противовирусной защиты, чтобы приютить вируса-убийцу

РНК-интерференция -- важный защитный механизм, помогающий эукариотическим клеткам бороться с вирусами и подавлять активность эгоистических фрагментов ДНК -- транспозонов. Однако дрожжи и некоторые другие грибы утратили систему РНК-интерференции. Как выяснилось, это позволяет им содержать в своих клетках симбиотического вируса, который помогает грибам уничтожать конкурентов.

21.09 У пещерных рыб биологические часы регулируются не светом, а пищей

Известно, что внутренние биологические часы регулируются внешними воздействиями, главное из которых -- суточные колебания света. Международная группа ученых исследовала суточные ритмы у абсолютно слепой рыбки Phreatichthys andruzzii, обитающей в постоянной темноте в подземных пещерах Сомали. Оказалось, что у нее сохранились <<слепые>> циркадные часы, которые не корректируются светом, а запускаются только пищей.

20.09 Параллелизмы -- результат быстрой эволюции сенсорных рецепторов

Изучение независимого появления одного и того же нового признака у двух лабораторных линий нематоды Caenorhabditis elegans и у родственного вида Caenorhabditis briggsae показало, что признак возник в результате мутации в сходных генах у всех трех объектов. Это означает, что репертуар возможных адаптивных решений весьма ограничен. Наиболее простым и быстрым решением является настройка сенсорных рецепторов.

19.09 Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение

Предположение о связи между крупнейшим массовым вымиранием в истории Земли, произошедшим около 250 млн лет назад, и образованием грандиозной толщи магматических пород -- сибирских траппов, не подтверждалось имеющимися моделями. Российские геологи показали, что выброс CO₂ и HCl в самом начале формирования сибирской трапповой провинции был в несколько раз масштабнее, чем считалось, и вполне мог вызвать массовое вымирание.

15.09 Грозит ли систематикам вымирание?

Считается, что если раньше, на заре развития науки, среди биологов был большой процент систематиков, то сейчас они представляют собой почти вымирающую группу, особенно в западных странах. Английские и американские биологи решили проверить, действительно ли ситуация столь угрожающая. Оказалось, что число систематиков неуклонно растет, причем они работают более эффективно, чем их предшественники сто лет назад.

14.09 Новый язык приносят мужчины

Английские ученые представили примеры, показывающие, что распространение языка соотносится с распространением Y-хромосом иммигрантов-мужчин. При этом генные маркеры мигрантных мтДНК, привносимых женщинами, не коррелируют с распространением той или иной языковой группы. Ученые заключили, что именно мужчины играют ведущую роль в распространении и смене языков на новой территории.

13.09 Расширенный фенотип объяснен на генетическом уровне

Многие паразиты манипулируют поведением своих хозяев, однако генетические основы таких манипуляций изучены слабо. Американские биологи выявили ген, при помощи которого вирус ядерного полиэдроза заставляет зараженных гусениц непарного шелкопряда взбираться на вершины деревьев, что способствует распространению вируса. Как выяснилось, вирус добивается этого, воздействуя на систему гормональной регуляции линек и пищевого поведения гусеницы.

12.09 Сколько видов на планете?

Результат почти трехсотлетней работы систематиков -- зоологов, ботаников, микробиологов -- это более миллиона найденных и описанных видов живых существ, населяющих Землю. Как оценить, сколько видов еще не найдено? Разные методы расчета дают сильно различающиеся результаты. Один из возможных способов решения этой задачи -- анализ таксономического разнообразия на разных уровнях иерархической классификации живого.