Физики перепроверят данные о сверхсветовых нейтрино

Физики из ЦЕРН приступили к проверке феноменального эксперимента, который в сентябре этого года обсуждала вся научная общественность. Речь идет об опытах, в которых было зафиксировано движение нейтрино со скоростью, превышающей таковую света. Этот смелый эксперимент вновь поставил под сомнение одно из положений специальной теории относительности.

Данный постулат говорит о том, что ни одна частица не может двигаться со скоростью большей, чем скорость света в вакууме. Что и говорить, выводы из этого эксперимента получились достаточно необычные, прям в пору переписывать все учебники по физике, начиная со школьных. Однако, посовещавшись и обсудив результаты, ученые решили все-таки учебники пока оставить в покое, а самим заняться проверкой данных, полученных физиками. И поводов для этого у них было предостаточно.

Напомню, что в двадцатых числах сентября этого года появилось сообщение сотрудников коллаборации OPERA, расположенной в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) о том, что им удалось получить доказательство перемещения нейтрино со "сверхсветовой" скоростью. Получилось это случайно — на самом деле исследователи просто хотели зафиксировать рождение так называемого тау-нейтрино (одного из разновидностей этой частицы, которая очень редко рождается в ускорителях, до этого эксперимента ее наблюдали только один раз в 2000 году на знаменитом "Тэватроне").

Для этого были произведены следующие действия — Необходимый OPERA практически чистый пучок мюонных нейтриносо средней энергией в 17 ГэВ подготавливили приблизительно в 730 километрах (по прямой, проходящей сквозь земную кору) от Лаборатории Гран-Сассо, в ЦЕРНЕ. Источником частиц был суперпротонный синхротрон (это такая особенная электровакуумная установка с приблизительно кольцевой вакуумной камерой, в которой частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света, а стоящие на их пути мощные электромагниты задают их движения). Он разгонял обычные протоны до 400 ГэВ, после чего их отправляли на графитовую мишень.

В результате того, что несчастные обалдевшие протоны, мчащиеся на высоких скоростях, ударялись о нее, рождались пионы и каоны (легкие частицы из группы мезонов, состоящие из одной пары кварков). Они, в свою очередь, направлялись в километровый тоннель и, пролетев какое-то расстояние на тех же сумасшедших скоростях, распадались от жизни такой на другие частицы, среди которых и были нужные физикам нейтрино. Правда, сказать, где именно в тоннеле происходит это событие, ученые не могут. Однако зарегистрировать прибытие нейтрино на детекторе OPERA им вполне по силам.

Этот эксперимент продолжался в течение двух лет (а потом еще три года исследователи анализировали полученные результаты). Было установлено, что за все это время на мишень попало около 1020 протонов, а детектор OPERA зарегистрировал 16111 событий. Неуловимый тау-нейтрино в июле прошлого года удалось зафиксировать, и это весьма порадовало сотрудников Гран-Сассо.

Кроме того, вскрылось еще одно интересное обстоятельство — согласно подсчетам, большая часть нейтрино прибывали примерно на 60 наносекунд раньше расчетного времени (а в среднем частицы преодолевают туннель за 3 миллисекунды). И таких случаев накопилось немало — около 16 000, что позволяет занести это событие в разряд статистически значимых.

Единственный вывод, который можно сделать на основе данного наблюдения — это то, что нейтрино двигались со скоростью, превышающей скорость света (ибо сократить расстояние в этом эксперименте не представлялось возможным никак, даже такие всепроникающие частицы, как нейтрино, не могли пройти "другим путем"). Надобно заметить, что подобное открытие в первую очередь шокировало самих экспериментаторов — ведь оно отменяло тот самый постулат о невозможности двигаться быстрее скорости света в вакууме. "Поначалу мы пытались найти объяснение увиденному. Затем начали искать тривиальные ошибки, за ними сложные ошибки и, наконец, совсем уж неприличные эффекты. Но ничего обнаружить не удалось", - позже рассказывал об этом один из ученых, профессор Антонио Эредитато из университета Берна.

Итак, раз ошибок обнаружено не было, значит оставалось признать существование "сверхсветовых" нейтрино. Однако физики не спешили делать этого — и вовсе не из-за консерватизма или нежелания возиться с исправлением учебников, у них были для скепсиса вполне серьезные основания. Сразу же после сообщения сотрудников OPERA о результатах эксперимента, многие обратили внимание на то, что метод оценки скорости частиц не может быть надежным.

Дело в том, что, как было сказано выше, точно определить расстояние, пройденное нейтрино невозможно — никто не знает, где именно в туннеле они рождаются.

Во-вторых, физики не имеют возможности соотнести нейтрино, провзаимодействовавшее в детекторе OPERA, с протоном, который породил зарегистрированную частицу. Проще говоря, непонятно, какой именно протон, разогнанный и пущенный на мишень, является родителем каждого конкретного нейтрино, уловленного детектором в Гран-Сассо.

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, ученым приходится рассматривать не отдельные события, отмеченные детектором, а их совокупность, то есть, грубо говоря, регистрируется не "прибытие" каждого отдельного нейтрино, а их "толпы".

При этом непонятно, кто из участников этой толпы когда и где родился (и от какого именно протона). Из-за всего этого, хотя обнаружить серьезную ошибку в рассуждениях авторов исследования никому пока не удалось, описанный способ обработки данных многим кажется весьма ненадежным. А поделать тут ничего нельзя — все обусловлено самими условиями проведения эксперимента, которые невозможно изменить.

И вот недавно в ЦЕРНЕ начали проверочный эксперимент, который может подтвердить или опровергнуть данные, полученные в сентябре этого года. "Несколько дней назад физики начали отправлять из ЦЕРН в Гран-Сассо новые пучки нейтрино" — сообщил BBC News директор ЦЕРН по исследованиям Серджио Бертолуччи.

В этот раз для того, чтобы повысить точность измерений, ученые решили использовать гораздо более короткие нейтринные импульсы — длительностью в одну-две наносекунды с паузой по 500 наносекунд между ними (раньше каждый импульс длился 10 микросекунд). Кроме того, они собираются опробовать другую методику анализа данных — более надежную, чем предыдущую.

Интересно, что данные, опубликованные сотрудниками OPERA, — далеко не первые свидетельства о том, что элементарные частицы, возможно, иногда превышают скорость света в вакууме. Подобное наблюдалось в родственном OPERA эксперименте MINOS, однако статистическая значимость этого результата, полученного в 2007 году была совсем низкой (было зарегистрировано очень мало подобных событий), и поэтому всерьез он не рассматривался. Кроме того, несколько раньше, в 1987 году при наблюдении взрыва сверхновой SN 1987A приблизительно за три часа до того, как видимый свет этой вспышки достиг Земли, три нейтринные обсерватории зарегистрировали превышение обычного фонового потока. Хотя и здесь ничего наверняка сказать было нельзя — не исключено, что нейтрино и фотоны из этой сверхновой просто испускались в разные моменты времени.

Так что пока еще специальную теорию относительности рано списывать со счетов.

Следует провести более тщательную проверку, которая, возможно, и заставит физиков начать переписывать учебники. А может быть, лишний раз подтвердит правоту одного из самых выдающихся ученых прошлого века…