Торопливые нейтрончики. Нейтрино движется быстрее скорости света! Сверхсветовые нейтрино последние гипотезы

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.

Новости из мира науки не так часто будоражат ум рядового обывателя. Чтобы какое-либо открытие дошло до сознания народных масс, оно должно иметь крайне необычный, почти магический характер. Именно поэтому журналисты всего мира так жадно ухватились за сообщение про сверхсветовые нейтрино. Гипотезы и теории посыпались как из рога изобилия, но реальность, как всегда, расставила все на свои места.

Что такое нейтрино?

Итальянским словом «neutrino» называется самая распространенная во Вселенной частица. Существование ее было предположено Вольфгангом Паули в 1930 году. Но природа этой составляющей атомных ядер до сих пор до конца не познана .

Перечислим уже известные науке факты:

• Само название говорит о нейтральном электрическом заряде данного фермиона;
• Взаимодействие с окружающей средой минимально. Слабые взаимодействия имеют очень короткий диапазон, а гравитация незначительна. Это приводит к тому, что нейтрино проходит через любую материю практически беспрепятственно;
• Каждая частица имеет собственного антипода, которого так и называют - антинейтрино. Последнее отличается от своего собрата квантовым числом и симметричностью (хиральностью);
• Основными источниками этих космических странников являются ядерные реакции, происходящие в звездах, особенно в сверхновых. Солнце не является исключением и посылает на Землю их триллионами;
• Лептон может быть создан и искусственным путем с помощью ядерных реакторов и ускорителей.

Возможно ли превысить скорость света?

Согласно озвученной Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности, со скоростью света могут передвигаться лишь тела с нулевой массой покоя. Все прочие предметы никогда не достигнут этой планки. Превышение же порога в 300 000 км/с материей или информацией теоретически невозможно.

Однако сообщения о неожиданных открытиях то и дело появляются на полосах газет. Среди самых последних новостей:

• Ученый из Принстонского университета Линжун Ванг заявлял о возможности достижения скоростей, в сотни раз больших, чем у электромагнитных волн. Он назвал это явление нуль-телепортацией. Однако спустя некоторое время исследователь признал свою ошибку;
• Свои просчеты пришлось признать и работникам Исследовательского совета, находящегося в Италии. Они сообщали о разгоне микроскопических волн до 375 000 км/с;
• Ученые МГУ также известны на попытках прославиться. Так называемый «холодный термоядерный синтез» стоил карьеры не одному физику, открыто заявлявшему о гибели открытий Эйнштейна.

Высокая частота появления таких вестей приучила исследователей с подозрением относиться к любой попытке низвержения теории относительности.

Скорость и масса нейтрино

Скорость передвижения частицы долго оставалась предметом научных споров:

• Теория относительности связывает скорость перемещения с массой. Если тело имеет массу, отличную от нуля, оно никогда не разовьет скорости света;
• Поскольку долгое время считалось, что нейтрино является "безмассовым" телом, то его скорость принималась на уровне 3*10 5 м/с;
• Согласно исследованиям 2012 года, лептон передвигается на 0,0006% медленнее, чем электромагнитное излучение. Итальянские ученые из проекта OPERA получили другие значения, но об этом подробнее расскажем в следующей главе.

Относительно массы нейтрино наука 2017 года говорит следующее:

• Подтвержденное экспериментально явление осцилляций (превращение в антинейтрино) говорит о наличии массы. Об этом говорил еще итальянский физик-ядерщик Бруно Понтекрово в 1950-х годах;
• Установить точные цифры не представляется возможным. Сегодня это одна из самых нерешенных проблем в физике;
• Ученые делают лишь предположения относительно суммарной массы всех нейтрино во Вселенной. Она не должна превышать 0,3 электронвольт. В противном случае Вселенная перестанет существовать.

Проект OPERA

В 2011 году как гром среди ясного неба была озвучена новость о превышении нейтрино скорости света. Она пришла из итальянской лаборатории проекта OPERA .

Сообщество физиков было взбудоражено:

• Данные эксперимента явно говорят о нарушении специальной теории относительности и крушении современного понимания физики, которое установилось 100 лет назад;
• Частица прибыла на лишь 60,7 миллиардных долей секунды быстрее света, но этого уже достаточно для научного переворота;
• Спустя несколько месяцев после обнародования документов ученые провели повторное испытание, которое подтвердило предыдущие цифры. В авторитетном журнале «Физика высоких энергий» вышла соответствующая статья;
• В марте 2012 года независимые исследователи повторили эксперимент, но его результаты вполне укладывались в текущую картину мира;
• Еще до проверки результатов ряд выдающихся физиков сделали публичные комментарии по поводу новости. Так нобелевские лауреаты Стивен Вайнберг, Джордж Смут и Карло Руббиа выразили скептицизм и недоверие сотрудникам OPERA.

Развенчание сенсационного эксперимента

Однако никакой научной революции не произошло. Об ошибочных результатах заявили сами горе-первооткрыватели:

• Согласно внутреннему расследованию, возможным источником погрешности могла быть слабая связь со спутниковым приемником;
• Другим возможным источником неполадок могли быть электронные часы. Они, вероятно, отсчитывали время быстрее, чем положено;
• Но реальная причина провала оказалась интереснее самых смелых ожиданий. В марте 2012 года - спустя год после сенсационного объявления - оказалось, что виновником был не до конца ввинченный кабель (на этапе сбора данных);
• В июле того же года был проведен контрольный эксперимент, который вполне укладывался в текущие научные представления.

Инцидент вызвал напряженность внутри сообщества сотрудников OPERA. Ряд физиков выразили вотум недоверия пресс-секретарю лаборатории. Последний сложил с себя полномочия и заявил, что раскаивается в чрезмерном раздутии сенсации.

Видео про свойства нейтрино

В данном ролике физик Андреас Роберто расскажет, покажет, как ученым удалось зафиксировать существование этой невесомой частицы:

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

МОСКВА, 8 июн - РИА Новости. Ученые, работающие в нейтринном проекте OPERA, после серии экспериментов окончательно опровергли полученные ими ранее данные о способности элементарной частицы нейтрино двигаться быстрее скорости света - крупнейшая научная сенсация последних лет не прожила и года, сообщил РИА Новости один из участников эксперимента - сотрудник Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Юрий Горнушкин.

Нейтринный эксперимент OPERA оказался в центре внимания СМИ в конце сентября 2011 года, когда ученые из этой группы . По оценкам ученых, нейтрино пролетали 730 километров от ускорителя SPS в ЦЕРНе до подземного детектора OPERA в итальянской лаборатории Гран Сассо в среднем на 60 наносекунд быстрее, чем предполагали расчеты.

Однако позже участники коллаборации OPERA сообщили, что они обнаружили техническую ошибку, которая могла привести к появлению данных о превышении скорости света. Коллаборация решила провести в мае новую проверку этих результатов.

Конец сенсации

Как сообщил РИА Новости руководитель группы участников эксперимента OPERA из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Юрий Горнушкин, на конференции Neutrino 2012 в японском городе Киото в пятницу был представлен доклад о результатах этой проверки.

"Эксперимент был повторен в конце прошлого года и в мае нынешнего года в специальных условиях, с очень короткими импульсами нейтрино из ускорителя ЦЕРНа, делающими интерпретацию результатов совершенно однозначной. Согласно последним данным, подтверждается, что скорость нейтрино совпадает со скоростью света с хорошей точностью, и, таким образом, окончательно доказывается ошибочность прошлогодних сенсационных заявлений", - сказал Горнушкин.

Проверка скорости нейтрино, проведенная OPERA, а также тремя другими нейтринными экспериментами, базирующимися в Гран-Сассо - Borexino, LVD и ICARUS - не показала значимых отклонений от скорости света.

В частности, измеренное OPERA отклонение времени прихода нейтрино от ожидаемого составило лишь 1,6 наносекунды. При этом статистическая погрешность составляет плюс-минус 1,1 наносекунды, а систематическая - до 6,1 наносекунды. Результат ICARUS - 5,1 наносекунды при суммарной погрешности плюс-минут 6,6 наносекунды, Borexino - 2,7 наносекунды плюс-минус 4,2 наносекунды, LVD - 2,9 наносекунды плюс-минус 3,6 наносекунды.

Не проверили разъем

Докладчик - Маркос Дракос (Marcos Dracos) из французского Института междисциплинарных исследований (IPHC) рассказал также о причинах ошибки.

Источником сверхсветовых нейтрино оказался плохо вставленный разъем оптического кабеля между внешней антенной GPS и блоком в системе сбора данных установки, отвечающим за синхронизацию внутренних часов установки и часов в ЦЕРНе, где определялся момент начала движения нейтрино.

"Это приводило к тому, что внутренние часы эффективно оказывались спешащими, что и приводило к ложному впечатлению, будто нейтрино прилетают раньше, чем если бы они имели скорость, равную скорости света", - сказал Горнушкин.

По его словам, задержка этого оптического кабеля была измерена в 2007 году. После этого разъем был вставлен неправильно, что привело к дополнительной задержке на этом разъеме в 73 наносекунды, но об этом уже не знали и не учитывали при расчете времени пролета нейтрино - до проверки, предпринятой в конце 2011 года. Кроме того, был обнаружен еще один эффект - частота генератора внутренних часов системы сбора данных была чуть меньше номинальной.

"Это не страшно, если время синхронизуется с внешним очень точным временным сигналом достаточно часто. Однако синхронизация производилась раз в 0,6 секунды, что давало около 15 наносекунд уже в сторону замедления времени при измерении времени пролета", - пояснил ученый.

После получения "сверхсветового результата" большинство участников эксперимента настаивали на продолжении и повторении проверок. Однако научный координатор Дарио Аутиеро (Dario Autiero), который проводил все эти измерения, уверял, что все уже много раз проверено, и сомнений нет.

В конце концов было решено сделать семинар в ЦЕРНе, после чего и возникла сенсация, а на физическое сообщество обрушился водопад объясняющих новый эффект теорий - от вполне здравых до дилетантских.

"Это, кстати, самая позитивная часть этой истории - сенсация всколыхнула научную фантазию, интерес к научным результатам в обществе. Все бы это было неплохо, любой исследователь имеет право на ошибку, но надо быть очень и очень критичным в своей работе. В нашем случае кое-кто очень хотел славы, поэтому выдавал желаемое за действительностью. Слава в результате была приобретена", - сказал Горнушкин.

Он напомнил, что руководителя эксперимента OPERA профессора Антонио Эредитато (Antonio Ereditato) и самого Аутиеро - главного ее автора.

Научный директор ЦЕРНа Серджио Бертолуччи (Sergio Bertolucci) тоже видит положительные стороны в произошедшем.

"Эта история поразила воображение публики и дала людям возможность увидеть научные методы работы в действии - неожиданный результат был подвергнут тщательной проверке, случай был основательно изучен и разрешен благодаря, в частности, сотрудничеству с другими экспериментами. Именно так науки и двигается вперед", - скаазл Бертолуччи.

Возвращение к тау-нейтрино

Теперь коллаборация прикладывает усилия, чтобы успешно завершить выполнение главной задачи эксперимента: поиска появления тау-нейтрино, но уже с другим руководством, сказал Горнушкин.

Главная задача эксперимента OPERA - исследование осцилляций нейтрино - способности этих частиц превращаться из нейтрино одного типа в другой. Всего известно три типа нейтрино - электронные, мюонные и тау-нейтрино. Их способность превращаться служит доказательством наличия массы нейтрино.

В 2010 году проект OPERA впервые зафиксировал превращение мюонного нейтрино в тау-нейтрино. Гипотеза о том, что разные типы этих частиц могут превращаться друг в друга, существует в физике достаточно давно и подкреплена множеством свидетельств, однако непосредственно превращение, нейтринную осцилляцию ученые наблюдали впервые.

Новый руководитель проекта OPERA Мицусиро Накамура (Mitsuhiro Nakamura) сообщил, что физики во второй раз "увидели" превращение мюонного нейтрино в тау-нейтрино.

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

Это вызвало поток сообщений в прессе об "опровержении" теор ии 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 энерги и 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 детект ор.

Для определения скорости нейтрино необходимо измерить путь и время прохождения частицей этого пути. Расстояние между ЦЕРНом и детект ором 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 теор етические аргументы против возможности сверхсветового движения нейтрино :

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