До  сих   пор   пока   никто не опроверг данные из лаборатории OPERA, по которым элементарные частицы могут лететь быстрее  света. Более того, ученые вспомнили про сверхновую, которая взорвалась 24 года назад в галактике Большое Магелланово облако. Тогда на Землю сначала пришли  нейтрино, и лишь спустя 4 часа – свет. Устоит ли специальная теория относительности или ей пора искать замену, зависит теперь от результатов проверочных экспериментов.Первый из них начался в лаборатории Ферми.   
 

Многолетний эксперимент, который взорвал научное сообщество, международная коллаборация OPERA проводит в местечке Гран Сассо: там глубоко под землей установлен гигантский детектор, при помощи которого ученые познают природу одной из самых загадочных элементарных частиц – нейтрино.

Частицы прилетают в Италию из Европейского центра ядерных исследований (CERN) в Женеве. Его сотрудники направляют пучок ускоренных протонов на мишень. От соударения рождаются вторичные частицы, которые, в свою очередь, рождают нейтрино. Чтобы преодолеть 732 километра в толще земной коры под горами, озерами и городами, пучку нейтрино необходимо около трех миллисекунд. Фиксирует частицы огромный датчик, состоящий из блоков фотопластин, перемежающихся слоями свинца. Вес детектора – 1300 тонн.

Говоря о нейтрино, люди часто воображают себе неуловимые частицы, которые ученые годами ловят под толщей льда, воды или горных пород. Действительно, одна из главных их особенностей – чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом. Через каждый квадратный сантиметр на поверхности Земли за секунду пролетает  6×10 в  степени10 нейтрино, но никакого воздействия на нас они не оказывают. Но так ведут себя лишь частицы относительно невысоких энергий, порядка нескольких мегаэлектронвольт (МэВ). Нейтрино высоких энергий, а в эксперименте OPERA средняя энергия частиц равна 17 ГэВ (гигаэлектронвольт), взаимодействуют несколько сильнее. И, попадая на мишень, вполне успешно регистрируются.

Цель эксперимента OPERA – изучить, как различные типы нейтрино способны превращаться друг в друга, так называемые нейтринные осцилляции.

С их помощью физики пытаются объяснить проблему солнечных нейтрино: до

Земли их долетает втрое меньше, чем должно быть, исходя из происходящих

на Солнце процессов.

В ходе эксперимента исследователи измеряли время выхода и фиксации нейтрино с точностью 10 наносекунд. Всего за два года эксперимента приборы зафиксировали 16 000 событий, анализ которых ошеломил физиков.

Оказалось, частицы достигают детектора на 60 наносекунд быстрее скорости света. Вывод опровергает одно из главных следствий специальной теории

относительности: скорость движения частиц и распространения любых взаимодействий в природе не может превышать скорость света в вакууме – 299

792 458 метров в секунду. Заявление коллаборации было сделано осторожно

(даже не все ее члены подписались под выводами), с предложением зарубежным коллегам перепроверить результат и повторить эксперимент.  «Если это окажется правдой, то будет действительно экстраординарным событием»,– заявил Джон Эллис (John Ellis), теоретик из ЦЕРНа.

 

Реакция научного мира на заявление коллаборации оказалась предсказуемо бурной. За следующие полтора месяца в архиве электронных научных препринтов появились десятки работ, в которых ученые пытаются либо найти ахиллесову пяту итальянского эксперимента, либо дать теоретическое объяснение феномену. Пока ни то ни другое неубедительно. Например, физики наперегонки ищут систематическую ошибку, которая в итоге могла привести к неверному результату. Роналд ван Элбург (Ronald van Elburg) из Нидерландов, например, уверен, что дело в неточном определении времени прихода нейтрино в детектор.

Координаты точки рождения нейтрино определяются легко. С детектором дела

обстоят несколько сложнее, так как он находится под горой высотой с километр. Но в OPERA заявляют, что расстояние между источником и детектором им известно с точностью 20 сантиметров. Время рождения и прилета частиц фиксируется при помощи двух высокоточных часов – в ЦЕРНе и в Гран Сассо. Для точного измерения времени часы надо постоянно синхронизировать. OPERA делает это при помощи спутников GPS, которые передают точные сигналы времени с высоты 20 000 километров. По словам Роналда ван Элбурга, тут и кроется ошибка: экспериментаторы не учли релятивистское движение самих спутников. Несмотря на то что скорость распространения сигналов со спутников, равная скорости света, не зависит от выбора системы отсчета, время на борту каждого из спутников от этого выбора зависит.    «С точки зрения наблюдателя на спутнике  детектор движется по направлению к источнику, и расстояние, преодолеваемое частицами, кажется меньше», – пояснил физик. Расхождение по времени из-за релятивистских эффектов составляет 64 наносекунды и как раз объясняет наблюдаемый феномен. Впрочем, расчеты ван Элбурга пока не опубликованы и требуют проверки.

Другие ученые настаивают на том, что экспериментаторы слишком небрежно измерили преодолеваемое  частицами расстояние и его возможное изменение во времени благодаря подвижкам грунта. Но судя по тому, что за 60 наносекунд свет проходит 20 метров, а расстояние измерено с точностью 20

сантиметров, это предположение кажется неубедительным.

 Другой релятивистский эффект, который, возможно, был недостаточно учтен, связан с тем, что и источник нейтрино и приемник находятся на разных расстояниях от центра Земли, а значит, в разных гравитационных потенциалах. Время в этих двух точках, согласно общей теории относительности, также должно течь по-разному.

Обнаружение сверхсветовой скорости нейтрино заставило ученых вспомнить о сверхновой, которая наблюдалась в 1987 году. Тогда астрономам впервые удалось зафиксировать «сверхновые»  нейтрино. Взрыв, случившийся в галактике Большое Магелланово облако (один из спутников Млечного Пути), породил сначала приход на Землю нейтрино (их зафиксировали сразу несколько обсерваторий), а лишь  спустя 4 часа –света.

Приход нейтрино раньше оптического излучения теоретически обоснован: нейтрино рождаются  при коллапсе ядра звезды, а свет приходит с задержкой, так как он распространяется в толще звездного вещества. Как бы то ни было, наблюдение за SN 1987A дало ученым верхнюю оценку разницы между скоростью нейтрино и скоростью света (с), которая составила 10-9*с. Результат же эксперимента OPERA превосходит эту величину минимум на 4 порядка, так как наблюдаемое превышение скорости света равно  2*10-5*с.

Стоит отметить, что прямого противоречия здесь нет, так как нейтрино из сверхновой и в эксперименте  OPERA имеют различную энергию. Тем не менее, такое большое отклонение  скорости нейтрино от скорости света крайне сложно вписать в существующие представления о взаимодействии элементарных частиц. Американские теоретики Эндрю Коэн (Andrew Cohen) и Шелдон Глэшоу (Sheldon Glashow) показали, что нейтрино, летящие с таким превышением световой скорости, обязаны рождать электрон-позитронную пару, теряя при этом энергию, причем довольно быстро. Если бы такой механизм работал, то нейтрино с энергиями выше 12 ГэВ просто не долетали бы до детектора OPERA, а они долетают.

По мнению старшего научного сотрудника отдела теоретической физики

Института ядерных исследований РАН Сергея Сибирякова, ошибка могла закрасться на этапе математической обработки данных. Дело в том, что протоны, которые ударяют по мишени в ЦЕРНе, летят не постоянным потоком,

а импульсами. И форма этих импульсов  каждый раз разная. Хотя при соударении каждого импульса протонов рождается множество нейтрино, из-за их чрезвычайно слабого взаимодействия в детекторе регистрируется одна, в лучшем случае – несколько частиц. От  многих импульсов нейтрино не регистрируются вовсе. И определить, какой протон и в какое время породил конкретную частицу, невозможно.   «Поэтому они берут все импульсы, суммируют и делят на общее количество. Получается некая средняя форма импульса, на которую накладываются сигналы от всех нейтрино, пришедших в детектор за время его работы», – пояснил Сибиряков.

Согласно статьям из архива электронных препринтов, систематическая ошибка могла появиться на этапе измерения импульсов протонов и в методике их усреднения.   «Например, надо ли при усреднении учитывать формы тех импульсов, от которых не пришло ни одного нейтрино? Из открытых источников непонятно, как проводилось вычисление усредненной формы: все ли импульсы учитывались или только те, от которых приходили нейтрино», – уточнил он.

 

Если результаты эксперимента OPERA окажутся верными, физикам придется пересматривать многие из существующих фундаментальных законов, на которых десятилетиями строилась современная физика. «Это будет революционно. Первой пошатнется специальная теория относительности, в рамках которой никакой сигнал распространяться быстрее скорости света не может. А еще под вопросом может оказаться квантовая теория поля, которая сейчас служит основой описания всех процессов в мире элементарных частиц», –добавил ученый.

 

В конце ноября коллаборация OPERA выступила с новым заявлением, сообщив, что физики учли некоторые рекомендации, и эксперимент был поставлен заново. Однако чудо вновь произошло, правда, теперь нейтрино опережали свет не на 60, а на 57 наносекунд, что соизмеримо с первоначальными результатами.

«В ходе этой перепроверки изменились параметры пучка. ЦЕРН сделал

специальный пучок коротких импульсов, чтобы проверить влияние эффекта

усреднения по многим импульсам. В  течение двух недель шли отдельные ко-

роткие импульсы по три наносекунды, разделенные на 500 миллисекунд», – рассказала   участница  проекта Наталья Полухина, глава лаборатории элементарных частиц Физического института имени Лебедева РА Н.

 

«Положительный исход эксперимента еще больше уверил нас в прежних результатах, хотя последнее слово будет за подобными экспериментами за рубежом», –заявил Фернандо Феррони (Fernando Ferroni), президент Итальянского института ядерной физики.

 

Теперь открытие должны подтвердить независимые эксперименты. Один

из них – эксперимент MINOS – уже проходит в американской лаборатории

Ферми.      Дело  «О  скорости  света»    продолжает   расследоваться.  www.detalimira.com   
 

URL записи