В 2011 году эксперимент Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus ( OPERA ) ошибочно обнаружил нейтрино, которые, по-видимому, движутся быстрее света . Еще до того, как был обнаружен источник ошибки, результат считался аномальным, поскольку скорости, превышающие скорость света в вакууме, как правило, нарушают специальную теорию относительности, которая является краеугольным камнем современного понимания физики на протяжении более столетия. [1] [2]
8 июня 2012 года, после дополнительных исследований и анализов, директор по исследованиям ЦЕРНа Серджио Бертолуччи заявил, что скорость нейтрино соответствует скорости света. В пресс-релизе, выпущенном на 25-й Международной конференции по физике нейтрино и астрофизике в Киото, говорится, что первоначальные результаты OPERA были неверными из-за сбоев оборудования. [3]
12 июля 2012 года OPERA обновила свою статью, включив новые источники ошибок в свои расчеты. Они обнаружили соответствие скорости нейтрино скорости света. [4]
Эксперимент создал форму нейтрино, мюонные нейтрино , на старом ускорителе SPS ЦЕРНа на франко-швейцарской границе и обнаружил их в лаборатории LNGS в Гран-Сассо, Италия. Исследователи OPERA использовали GPS общего вида , полученный из стандартного GPS, для измерения времени и координат места, в котором нейтрино были созданы и обнаружены. Согласно расчетам, среднее время полета нейтрино оказалось меньше, чем то, которое потребовалось бы свету для прохождения того же расстояния в вакууме. В течение двух недель до 6 ноября команда OPERA повторила измерение с другим способом генерации нейтрино, что помогло измерить время прохождения каждого обнаруженного нейтрино по отдельности. Это устранило некоторые возможные ошибки, связанные с сопоставлением обнаруженных нейтрино со временем их создания. [5] Сотрудничество OPERA заявило в своем первоначальном пресс-релизе, что необходимы дальнейшие проверки и независимые тесты для окончательного подтверждения или опровержения результатов. [3]
В марте 2011 года в ходе анализа своих данных ученые из коллаборации OPERA сообщили о доказательствах того, что нейтрино, которые они произвели в ЦЕРНе в Женеве и зарегистрировали на детекторе OPERA в Гран-Сассо, Италия, двигались быстрее света. Было подсчитано, что нейтрино прибыли примерно на 60,7 наносекунд (60,7 миллиардных секунды) раньше, чем свет, пройдя то же расстояние в вакууме. После шести месяцев перекрестной проверки, 23 сентября 2011 года , исследователи объявили, что наблюдали нейтрино, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света. [6] Аналогичные результаты были получены с использованием нейтрино с более высокой энергией (28 ГэВ), которые наблюдались для проверки того, зависит ли скорость нейтрино от их энергии. Измерялись частицы, прибывающие на детектор быстрее света примерно на одну часть на 40 000, с вероятностью 0,2 на миллион, что результат будет ложноположительным, предполагая, что ошибка была полностью вызвана случайными эффектами ( значимость шести сигм [ сломанный якорь ] ). Эта мера включала оценки как ошибок измерения, так и ошибок от использованной статистической процедуры. Однако это была мера точности, а не достоверности , на которую могли повлиять такие элементы, как неверные вычисления или неправильные показания приборов. [7] [8] Для экспериментов по физике элементарных частиц, включающих данные о столкновениях, стандартом для объявления об открытии является предел ошибки в пять сигм, более свободный, чем наблюдаемый предел шести сигм. [9]
В препринте исследования говорилось, что «[наблюдаемое] отклонение скорости нейтрино от c (скорости света в вакууме) было бы поразительным результатом, указывающим на новую физику в секторе нейтрино», и упоминалось «раннее время прибытия мюонных нейтрино CNGS» как «аномалия». [10] Представитель OPERA Антонио Эредитато объяснил, что команда OPERA «не обнаружила никакого инструментального эффекта, который мог бы объяснить результат измерения». [3] Джеймс Джиллис, представитель CERN, сказал 22 сентября, что ученые «приглашают более широкое физическое сообщество взглянуть на то, что они [сделали], и действительно тщательно изучить это в мельчайших подробностях, а в идеале — чтобы кто-то в другом месте мира повторил измерения». [11]
В ноябре OPERA опубликовала уточненные результаты, в которых они отметили, что их шансы ошибиться стали еще меньше, тем самым сузив границы погрешности. Нейтрино прибыли примерно на 57,8 нс раньше, чем если бы они двигались со скоростью света, что дало относительную разницу в скорости примерно в одну часть на 42 000 по сравнению со скоростью света. Новый уровень значимости стал 6,2 сигма. [12] Сотрудничество представило свои результаты для рецензируемой публикации в журнале Journal of High Energy Physics . [13] [14]
В той же статье коллаборация OPERA также опубликовала результаты повторного эксперимента, проводившегося с 21 октября 2011 года по 7 ноября 2011 года . Они обнаружили двадцать нейтрино, последовательно указывающих на раннее прибытие нейтрино приблизительно 62,1 нс, что согласуется с результатом основного анализа. [15]
В феврале 2012 года группа OPERA объявила о двух возможных источниках ошибок, которые могли существенно повлиять на результаты. [3]
В марте 2012 года был проведен семинар LNGS , подтвердивший, что оптоволоконный кабель не был полностью прикручен во время сбора данных. [19] Исследователи LVD сравнили временные данные для космических мюонов высокой энергии, поражающих как OPERA, так и близлежащий детектор LVD между 2007 и 2008, 2008–2011 и 2011–2012 годами. Сдвиг, полученный для периода 2008–2011 годов, согласуется с аномалией OPERA. [20] Исследователи также обнаружили фотографии, показывающие, что кабель был ослаблен к 13 октября 2011 года. [21]
С учетом двух недавно обнаруженных источников ошибок результаты по скорости нейтрино, по-видимому, соответствуют скорости света. [19]
12 июля 2012 года коллаборация OPERA опубликовала конечные результаты своих измерений между 2009 и 2011 годами. Разница между измеренным и ожидаемым временем прибытия нейтрино (по сравнению со скоростью света) составила приблизительно 6,5 ± 15 нс . Это согласуется с отсутствием разницы вообще, таким образом, скорость нейтрино согласуется со скоростью света в пределах погрешности. Также повторный анализ повторного запуска сгруппированного пучка 2011 года дал аналогичный результат. [4]
В марте 2012 года совместный эксперимент ICARUS опроверг результаты OPERA, измерив скорость нейтрино, которая оказалась равной скорости света. [22] ICARUS измерил скорость семи нейтрино в том же короткоимпульсном пучке, который OPERA проверяла в ноябре 2011 года, и обнаружил, что они в среднем движутся со скоростью света. Результаты были получены в ходе пробного запуска измерений скорости нейтрино, запланированного на май. [23]
В мае 2012 года ЦЕРН инициировал новый повторный запуск пучка. Затем в июне 2012 года ЦЕРН объявил, что четыре эксперимента Гран-Сассо OPERA, ICARUS, LVD и BOREXINO измерили скорости нейтрино, соответствующие скорости света, что указывает на то, что первоначальный результат OPERA был вызван ошибками оборудования. [3]
Кроме того, Fermilab заявила, что детекторы для проекта MINOS были модернизированы. [24] Ученые Fermilab тщательно проанализировали и установили пределы ошибок в своей системе синхронизации. [25] 8 июня 2012 года MINOS объявила, что согласно предварительным результатам, скорость нейтрино согласуется со скоростью света. [26]
Эксперимент OPERA был разработан для того, чтобы зафиксировать, как нейтрино переключаются между различными идентичностями, но Аутьеро понял, что оборудование может быть использовано и для точного измерения скорости нейтрино. [27] Более ранний результат эксперимента MINOS в Фермилабе продемонстрировал, что измерение технически осуществимо. [28] Принцип эксперимента по скорости нейтрино OPERA заключался в сравнении времени перемещения нейтрино со временем перемещения света. Нейтрино в эксперименте появлялись в ЦЕРНе и летели к детектору OPERA. Исследователи разделили это расстояние на скорость света в вакууме, чтобы предсказать, каким должно быть время перемещения нейтрино. Они сравнили это ожидаемое значение с измеренным временем перемещения. [29]
Команда OPERA использовала уже существующий пучок нейтрино, непрерывно движущийся из CERN в LNGS, пучок CERN Neutrinos to Gran Sasso, для измерения. Измерение скорости означало измерение расстояния, пройденного нейтрино от источника до места, где они были обнаружены, и времени, затраченного ими на прохождение этого расстояния. Источник в CERN находился на расстоянии более 730 километров (450 миль) от детектора в LNGS (Гран-Сассо). Эксперимент был сложным, поскольку не было возможности засекать время отдельного нейтрино, что требовало более сложных шагов. Как показано на рис. 1, CERN генерирует нейтрино, сталкивая протоны импульсами длительностью 10,5 микросекунд (10,5 миллионных долей секунды) с графитовой мишенью для получения промежуточных частиц, которые распадаются на нейтрино. Исследователи OPERA измерили протоны, когда они проходили секцию, называемую преобразователем тока пучка (BCT), и приняли положение преобразователя за отправную точку нейтрино. Протоны фактически не создавали нейтрино на протяжении еще одного километра, но поскольку и протоны, и промежуточные частицы двигались почти со скоростью света , ошибка от предположения была приемлемо низкой.
Часы в ЦЕРНе и LNGS должны были быть синхронизированы, и для этого исследователи использовали высококачественные GPS-приемники, подкрепленные атомными часами, в обоих местах. Эта система фиксировала как протонный импульс, так и обнаруженные нейтрино с заявленной точностью 2,3 наносекунды. Но временную метку нельзя было прочитать как часы. В ЦЕРНе сигнал GPS поступал только на приемник в центральной диспетчерской и должен был быть направлен с помощью кабелей и электроники на компьютер в диспетчерской нейтринного пучка, который регистрировал измерение протонного импульса (рис. 3). Задержка этого оборудования составляла 10 085 наносекунд, и это значение нужно было добавить к временной метке. Данные с преобразователя поступали на компьютер с задержкой в 580 наносекунд, и это значение нужно было вычесть из временной метки. Чтобы правильно внести все поправки, физикам нужно было измерить точную длину кабелей и задержки электронных устройств. На стороне детектора нейтрино были обнаружены по заряду, который они индуцировали, а не по свету, который они генерировали, и это включало кабели и электронику как часть цепи синхронизации. На рис. 4 показаны поправки, примененные на стороне детектора OPERA.
Поскольку нейтрино не могли быть точно отслежены до конкретных протонов, их производящих, пришлось использовать метод усреднения. Исследователи сложили измеренные протонные импульсы, чтобы получить среднее распределение во времени отдельных протонов в импульсе. Время, в которое нейтрино были обнаружены в Гран-Сассо, было нанесено на график, чтобы получить другое распределение. Ожидалось, что два распределения будут иметь схожую форму, но будут разделены 2,4 миллисекундами , временем, необходимым для прохождения расстояния со скоростью света. Экспериментаторы использовали алгоритм максимального правдоподобия , чтобы найти сдвиг во времени, который наилучшим образом заставил бы два распределения совпасть. Рассчитанный таким образом сдвиг, статистически измеренное время прибытия нейтрино, был примерно на 60 наносекунд короче, чем 2,4 миллисекунды, которые потребовались бы нейтрино, если бы они путешествовали только со скоростью света. В более позднем эксперименте ширина протонного импульса была сокращена до 3 наносекунд, и это помогло ученым сузить время генерации каждого обнаруженного нейтрино до этого диапазона. [30]
Расстояние измерялось путем точной фиксации точек источника и детектора в глобальной системе координат ( ETRF2000 ). Геодезисты ЦЕРНа использовали GPS для измерения местоположения источника. Со стороны детектора команда OPERA работала с группой геодезии из Римского университета Ла Сапиенца , чтобы определить центр детектора с помощью GPS и стандартных методов картографирования. Чтобы связать местоположение поверхностного GPS с координатами подземного детектора, движение пришлось частично остановить на подъездной дороге к лаборатории. Объединив два измерения местоположения, исследователи вычислили расстояние [31] с точностью до 20 см в пределах 730-километрового пути. [32]
Время перемещения нейтрино должно было измеряться путем отслеживания времени их создания и времени их обнаружения, а также использования общих часов для обеспечения синхронизации времени. Как показано на рис. 1, система измерения времени включала источник нейтрино в ЦЕРНе, детектор в LNGS (Гран-Сассо) и спутниковый элемент, общий для обоих. Общими часами был сигнал времени от нескольких спутников GPS, видимых как из ЦЕРНа, так и из LNGS. Инженеры отдела пучков ЦЕРНа работали с командой OPERA, чтобы обеспечить измерение времени перемещения между источником в ЦЕРНе и точкой непосредственно перед электроникой детектора OPERA, используя точные приемники GPS. Это включало синхронизацию взаимодействий протонных пучков в ЦЕРНе и синхронизацию создания промежуточных частиц, в конечном итоге распадающихся на нейтрино (см. рис. 3).
Исследователи из OPERA измерили оставшиеся задержки и калибровки, не включенные в расчеты CERN: те, что показаны на рис. 4. Нейтрино были обнаружены в подземной лаборатории, но общие часы со спутников GPS были видны только над уровнем земли. Значение часов, отмеченное над землей, должно было быть передано на подземный детектор с помощью 8-километрового оптоволоконного кабеля. Задержки, связанные с этой передачей времени, должны были быть учтены в расчетах. То, насколько могла измениться ошибка ( стандартное отклонение ошибок), имело значение для анализа и должно было быть рассчитано для каждой части временной цепи отдельно. Были использованы специальные методы для измерения длины волокна и его последующей задержки, требуемой как часть общего расчета. [31]
Кроме того, чтобы повысить разрешение со стандартного диапазона GPS 100 наносекунд до диапазона 1 наносекунда, достигаемого метрологическими лабораториями, исследователи OPERA использовали точный приемник GPS-времени PolaRx2eTR от Septentrio [33] вместе с проверками согласованности между часами (процедурами калибровки времени), что позволило обеспечить передачу времени с общим представлением . PolaRx2eTR позволял измерять смещение времени между атомными часами и каждыми часами спутника Глобальной навигационной спутниковой системы . Для калибровки оборудование было доставлено в Швейцарский метрологический институт (METAS). [31] Кроме того, высокостабильные цезиевые часы были установлены как в LNGS, так и в CERN для перекрестной проверки времени GPS и повышения его точности. После того, как OPERA обнаружила сверхсветовой результат, калибровка времени была повторно проверена как инженером CERN, так и Немецким институтом метрологии (PTB). [31] Время пролета в конечном итоге было измерено с точностью до 10 наносекунд. [3] [34] Окончательная граница ошибки была получена путем объединения дисперсии ошибки для отдельных частей.
Команда OPERA проанализировала результаты разными способами и с использованием разных экспериментальных методов. После первоначального основного анализа, опубликованного в сентябре, в ноябре были опубликованы еще три анализа. В основном анализе ноября все существующие данные были повторно проанализированы, чтобы внести поправки на другие факторы, такие как эффект Саньяка , при котором вращение Земли влияет на расстояние, пройденное нейтрино. Затем в альтернативном анализе была принята другая модель для сопоставления нейтрино со временем их создания. Третий анализ ноября был сосредоточен на другой экспериментальной установке («повторный запуск»), которая изменила способ создания нейтрино.
В первоначальной установке каждое обнаруженное нейтрино должно было быть произведено где-то в диапазоне 10 500 наносекунд (10,5 микросекунд), поскольку это была продолжительность выброса протонного пучка, генерирующего нейтрино. Было невозможно изолировать время производства нейтрино дальше в пределах выброса. Поэтому в своем основном статистическом анализе группа OPERA сгенерировала модель волновых форм протонов в ЦЕРНе, взяла различные волновые формы вместе и построила график вероятности испускания нейтрино в разное время (глобальная функция плотности вероятности времен испускания нейтрино). Затем они сравнили этот график с графиком времени прибытия 15 223 обнаруженных нейтрино. Это сравнение показало, что нейтрино прибыли в детектор на 57,8 наносекунд быстрее, чем если бы они двигались со скоростью света в вакууме. Альтернативный анализ, в котором каждое обнаруженное нейтрино проверялось по форме волны связанного с ним протонного выброса (а не по глобальной функции плотности вероятности), привел к совместимому результату приблизительно 54,5 наносекунд. [35]
Основной анализ ноября, показавший раннее время прибытия в 57,8 наносекунд, был проведен вслепую, чтобы избежать смещения наблюдателя , в результате чего те, кто проводил анализ, могли непреднамеренно подстроить результат к ожидаемым значениям. С этой целью изначально были приняты старые и неполные значения расстояний и задержек с 2006 года. Поскольку окончательная необходимая коррекция еще не была известна, промежуточный ожидаемый результат также был неизвестен. Анализ данных измерений в этих «слепых» условиях дал раннее прибытие нейтрино в 1043,4 наносекунды. После этого данные были снова проанализированы с учетом полных и фактических источников ошибок. Если бы скорость нейтрино и света была одинаковой, для коррекции должно было быть получено значение вычитания в 1043,4 наносекунды. Однако фактическое значение вычитания составило всего 985,6 наносекунд, что соответствует времени прибытия на 57,8 наносекунд раньше, чем ожидалось. [12]
Два аспекта результата подверглись особому вниманию в сообществе нейтрино: система синхронизации GPS и профиль протонного пучка, который генерировал нейтрино. [6] Вторая проблема была решена в ноябрьском повторе: для этого анализа ученые OPERA повторили измерение по той же базовой линии, используя новый протонный пучок CERN, который обошел необходимость делать какие-либо предположения о деталях производства нейтрино во время активации пучка, таких как распределение энергии или скорость производства. Этот пучок обеспечивал протонные импульсы длительностью 3 наносекунды каждый с интервалами до 524 наносекунд. Это означало, что обнаруженное нейтрино можно было отслеживать однозначно до его генерирующего импульса длительностью 3 наносекунды, и, следовательно, его начальное и конечное время прохождения можно было напрямую отметить. Таким образом, скорость нейтрино теперь можно было вычислить, не прибегая к статистическим выводам. [3]
В дополнение к четырем анализам, упомянутым ранее — основной анализ сентября, основной анализ ноября, альтернативный анализ и повторный анализ — команда OPERA также разделила данные по энергии нейтрино и сообщила результаты для каждого набора основных анализов сентября и ноября. В повторном анализе было слишком мало нейтрино, чтобы рассматривать дальнейшее разделение набора.
После первоначального сообщения о видимых сверхсветовых скоростях нейтрино большинство физиков в этой области были тихо скептически настроены по отношению к результатам, но готовы были занять выжидательную позицию. Экспериментальные эксперты знали о сложности и трудности измерения, поэтому дополнительная нераспознанная ошибка измерения все еще была реальной возможностью, несмотря на осторожность, проявленную командой OPERA. [ необходима цитата ] Однако из-за широкого интереса несколько известных экспертов сделали публичные комментарии. Нобелевские лауреаты Стивен Вайнберг [36] , Джордж Смут III и Карло Руббиа [ 37] и другие физики, не связанные с экспериментом, включая Мичио Каку [ 38], выразили скептицизм относительно точности эксперимента на том основании, что результаты бросают вызов давно принятой теории, согласующейся с результатами многих других проверок специальной теории относительности . [39] Тем не менее, Эредитато, представитель OPERA, заявил, что ни у кого нет объяснения, которое бы опровергало результаты эксперимента. [40]
Предыдущие эксперименты по скорости нейтрино сыграли свою роль в принятии результата OPERA физическим сообществом. Эти эксперименты не обнаружили статистически значимых отклонений скорости нейтрино от скорости света. Например, астроном Royal Martin Rees и физики-теоретики Lawrence Krauss [36] и Stephen Hawking [41] заявили, что нейтрино от взрыва сверхновой SN 1987A прибыли почти одновременно со светом, что указывает на отсутствие скорости нейтрино, превышающей скорость света. Джон Эллис , физик-теоретик из CERN, считал, что трудно согласовать результаты OPERA с наблюдениями SN 1987A. [42] Наблюдения за этой сверхновой ограничили скорость антинейтрино 10 МэВ до менее чем 20 частей на миллиард (ppb) сверх скорости света. Это было одной из причин, по которой большинство физиков подозревали, что команда OPERA совершила ошибку. [29]
Физики, участвовавшие в эксперименте, воздержались от интерпретации результата, заявив в своей статье:
Несмотря на большую значимость измерения, представленного здесь, и стабильность анализа, потенциально большое влияние результата мотивирует продолжение наших исследований с целью изучения возможных до сих пор неизвестных систематических эффектов, которые могли бы объяснить наблюдаемую аномалию. Мы намеренно не пытаемся дать какую-либо теоретическую или феноменологическую интерпретацию результатов. [10]
Физики-теоретики Джан Джудиче , Сергей Сибиряков и Алессандро Струмия показали, что сверхсветовые нейтрино подразумевают некоторые аномалии в скоростях электронов и мюонов в результате квантово-механических эффектов. [43] Такие аномалии уже могли быть исключены из существующих данных о космических лучах, что противоречит результатам OPERA. Эндрю Коэн и Шелдон Глэшоу предсказали, что сверхсветовые нейтрино будут излучать электроны и позитроны и терять энергию через вакуумные эффекты Черенкова , когда частица, движущаяся быстрее света, непрерывно распадается на другие более медленные частицы. [44] Однако эта потеря энергии отсутствовала как в эксперименте OPERA, так и в совмещенном эксперименте ICARUS , который использует тот же пучок CNGS, что и OPERA. [1] [45] Это несоответствие было расценено Коэном и Глэшоу как «значительный вызов сверхсветовой интерпретации данных OPERA». [44]
Многие другие научные работы об аномалии были опубликованы в виде препринтов arXiv или в рецензируемых журналах. Некоторые из них критиковали результат, в то время как другие пытались найти теоретические объяснения, заменяя или расширяя специальную теорию относительности и стандартную модель . [46]
В течение нескольких месяцев после первоначального объявления в сотрудничестве OPERA возникла напряженность. [47] [48] [13] [16] Вотум недоверия среди более чем тридцати руководителей групп провалился, но представитель Эредитато и координатор по физике Аутьеро все равно оставили свои руководящие должности 30 марта 2012 года. [19] [49] [50] В письме об отставке Эредитато утверждал, что их результаты были «чрезмерно сенсационными и представлены с не всегда оправданным упрощением», и защищал сотрудничество, заявляя: «Сотрудничество OPERA всегда действовало в полном соответствии с научной строгостью: и когда объявляло результаты, и когда давало их объяснение». [51]
Ученые MINOS могут провести собственные эксперименты уже через шесть месяцев, заявила физик-теоретик и сопредседатель MINOS Дженни Томас. Планы по проверке результатов CERN в многонациональном эксперименте Японии T2K (Tokai-to-Kamioka) находятся в разработке, заявил физик-нейтрино и представитель T2K Чанг Ки Юнг
{{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )Существование тахиона, хотя и не подтверждено экспериментально, по-видимому, согласуется с теорией относительности, которая первоначально считалась применимой только к частицам, движущимся со скоростью света или ниже ее.
Пока сообщество физиков элементарных частиц пытается понять кажущееся обнаружение сверхсветовых нейтрино экспериментом OPERA, аномальные результаты других экспериментов с нейтрино также находятся под пристальным вниманием. Эксперимент LSND, который проводился в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1990-х годах, обнаружил доказательства нейтринных осцилляций, которые не соответствовали стандартной модели трех видов нейтрино или другим экспериментальным данным. А MiniBooNE в Фермилабе увидел избыточные события, которые могли бы поддержать конкретное объяснение аномалии LSND [...стерильное нейтрино]