stringtranslate.com

Измерения скорости нейтрино

Измерения скорости нейтрино проводились в качестве тестов специальной теории относительности и для определения массы нейтрино . Астрономические поиски исследуют, одновременно ли свет и нейтрино, испускаемые одновременно из удаленного источника, прибывают на Землю. Наземные поиски включают измерения времени пролета с использованием синхронизированных часов и прямое сравнение скорости нейтрино со скоростью других частиц.

Поскольку установлено, что нейтрино обладают массой, скорость нейтрино с кинетической энергией от МэВ до ГэВ должна быть немного ниже скорости света в соответствии со специальной теорией относительности . Существующие измерения дали верхние пределы отклонений от скорости света примерно в 10−9 , или несколько частей на миллиард . В пределах погрешности это согласуется с полным отсутствием отклонений.

Обзор

Скорость нейтрино как функция релятивистской кинетической энергии , при массе нейтрино < 0,2 эВ/c².

В рамках стандартной модели физики элементарных частиц долгое время предполагалось , что нейтрино не имеют массы. Таким образом, они должны двигаться точно со скоростью света, согласно специальной теории относительности . Однако с момента открытия осцилляций нейтрино предполагается, что они обладают некоторой небольшой массой. [1] Таким образом, они должны двигаться немного медленнее света, иначе их релятивистская энергия стала бы бесконечно большой. Эта энергия определяется формулой:

,

где v — скорость нейтрино, а c — скорость света. Масса нейтрино m в настоящее время оценивается как 2 эВ /c² и, возможно, даже ниже 0,2 эВ/c². Согласно последнему значению массы и формуле для релятивистской энергии, относительные различия в скорости между светом и нейтрино меньше при высоких энергиях и должны возникать, как показано на рисунке справа.

Измерения времени пролета, проведенные до сих пор, исследовали нейтрино с энергией выше 10 МэВ. Однако различия в скоростях, предсказанные относительностью при таких высоких энергиях, не могут быть определены с текущей точностью измерения времени. Причина, по которой такие измерения все еще проводятся, связана с теоретической возможностью того, что при определенных обстоятельствах могут возникнуть значительно большие отклонения от скорости света. Например, было постулировано, что нейтрино могут быть своего рода сверхсветовыми частицами, называемыми тахионами , [2] , хотя другие критиковали это предложение. [3] В то время как гипотетические тахионы считаются совместимыми с лоренц-инвариантностью , сверхсветовые нейтрино также изучались в рамках, нарушающих лоренц-инвариантность, как мотивированные спекулятивными вариантами квантовой гравитации , такими как Расширение Стандартной Модели , согласно которому могут возникать нарушающие Лоренц нейтринные осцилляции . [4] Помимо измерений времени пролета, эти модели также позволяют проводить косвенные определения скорости нейтрино и другие современные поиски нарушения Лоренца . Все эти эксперименты подтвердили Лоренц-инвариантность и специальную теорию относительности.

Фермилаб (1970-е)

В 1970-х годах в Фермилабе была проведена серия наземных измерений, в которых скорость мюонов сравнивалась со скоростью нейтрино и антинейтрино с энергиями от 30 до 200 ГэВ. Узкополосный нейтринный пучок Фермилаба генерировался следующим образом: протоны с энергией 400 ГэВ попадают в цель и вызывают образование вторичных пучков, состоящих из пионов и каонов . Затем они распадаются в вакуумированной трубке распада длиной 235 метров. Оставшиеся адроны останавливались вторичным сбросом, так что только нейтрино и некоторые энергичные мюоны могли проникнуть через земной и стальной щит длиной 500 метров, чтобы достичь детектора частиц .

Поскольку протоны передаются сгустками длительностью в одну наносекунду с интервалом в 18,73 нс, можно было бы определить скорость мюонов и нейтрино. Разница в скорости привела бы к удлинению сгустков нейтрино и смещению всего временного спектра нейтрино. Сначала сравнивали скорости мюонов и нейтрино. [5] Позже наблюдали также антинейтрино. [6] Верхний предел отклонений от скорости света составил:

.

Это согласуется со скоростью света в пределах точности измерений ( уровень достоверности 95% ), и при этой точности не удается обнаружить никакой зависимости скорости нейтрино от энергии.

Сверхновая 1987А

Наиболее точное соответствие скорости света (по состоянию на 2012 год ) было получено в 1987 году по наблюдению за электронными антинейтрино с энергиями от 7,5 до 35 МэВ, возникшими при взрыве сверхновой 1987A на расстоянии 157000 ± 16000 световых лет . Верхний предел отклонений от скорости света составил:

,

таким образом, более чем в 0,999999998 раз больше скорости света. Это значение было получено путем сравнения времени прибытия света и нейтрино. Разница примерно в три часа объяснялась тем обстоятельством, что почти невзаимодействующие нейтрино могли беспрепятственно проходить через сверхновую, тогда как свету требовалось больше времени. [7] [8] [9] [10]

МИНОС (2007)

Первое наземное измерение абсолютного времени прохождения было проведено MINOS (2007) в Fermilab. Для генерации нейтрино (так называемый пучок NuMI ) они использовали главный инжектор Fermilab, с помощью которого 120-ГэВ-протоны направлялись на графитовую мишень 5-6 партиями за сброс. Возникающие мезоны распадались в 675-метровом туннеле распада на мюонные нейтрино (93%) и мюонные антинейтрино (6%). Время прохождения определялось путем сравнения времени прибытия на ближний и дальний детектор MINOS, отстоящие друг от друга на 734 км. Часы обеих станций были синхронизированы с помощью GPS , а для передачи сигнала использовались длинные оптические волокна . [11]

Они измерили раннее прибытие нейтрино приблизительно 126 нс. Таким образом, относительная разница в скорости составила (предел достоверности 68%). Это соответствует 1,000051±29 скорости света, таким образом, по-видимому, быстрее света. Основным источником ошибок были неопределенности в задержках оптоволокна. Статистическая значимость этого результата была меньше 1,8 σ , поэтому он не был значимым, поскольку для признания научного открытия требуется 5σ.

На уровне достоверности 99% было дано [11]

,

скорость нейтрино больше 0,999976c и меньше 1,000126c. Таким образом, результат также совместим с субсветовыми скоростями.

ОПЕРА (2011, 2012)

Аномалия

В эксперименте OPERA использовались 17-ГэВ нейтрино , разделенные на протонные выделения длиной 10,5 мкс, полученные в ЦЕРНе , которые поражают цель на расстоянии 743 км. Затем производятся пионы и каоны, которые частично распадаются на мюоны и мюонные нейтрино ( нейтрино ЦЕРНа в Гран-Сассо , CNGS). Нейтрино перемещаются дальше в Национальную лабораторию Гран-Сассо (LNGS) на расстоянии 730 км, где расположен детектор OPERA. Для синхронизации часов и определения точного расстояния используется GPS. Кроме того, для передачи сигнала в LNGS используются оптоволоконные кабели. Временное распределение выделений протонов статистически сравнивается с приблизительно 16000 нейтринными событиями. OPERA измерила раннее прибытие нейтрино примерно в 60 наносекунд по сравнению с ожидаемым прибытием со скоростью света, что указывает на скорость нейтрино выше скорости света. В отличие от результата MINOS, отклонение составило 6σ и, таким образом, по-видимому, было значительным. [12] [13] [14]

Чтобы исключить возможные статистические ошибки, ЦЕРН производил пучки протонов в период с октября по ноябрь 2011 года. Извлечения протонов были разделены на короткие пучки по 3 нс с интервалом 524 нс, так что каждое событие нейтрино могло быть напрямую связано с пучком протонов. Измерение двадцати событий нейтрино снова дало раннее прибытие около 62 нс, что согласуется с предыдущим результатом. Они обновили свой анализ и увеличили значимость до 6,2σ. [15] [16]

В феврале и марте 2012 года было показано, что в экспериментальном оборудовании было две ошибки: неправильное подключение кабеля к компьютерной карте, из-за чего нейтрино появлялись быстрее, чем ожидалось. Другая ошибка была в осцилляторе, не соответствующем спецификации, из-за чего нейтрино появлялись медленнее, чем ожидалось. Затем было проведено сравнение времени прибытия космических мюонов высокой энергии в OPERA и расположенный там же детектор LVD в 2007 и 2008, 2008–2011 и 2011–2012 годах. Было обнаружено, что в 2008–2011 годах ошибка подключения кабеля вызывала отклонение примерно на 73 нс, а ошибка осциллятора вызывала отклонение примерно на 15 нс в противоположном направлении. [17] [18] Это, а также измерение скоростей нейтрино, соответствующих скорости света, проведенное коллаборацией ICARUS (см. ICARUS (2012)), показали, что нейтрино, вероятно, не быстрее света. [19]

Конечный результат

Наконец, в июле 2012 года коллаборация OPERA опубликовала новый анализ своих данных за 2009–2011 годы, который включал в себя инструментальные эффекты, указанные выше, и получил границы для разницы во времени прибытия (по сравнению со скоростью света):

наносекунды,

и пределы разницы скоростей:

.

Соответствующий новый анализ для сгруппированного пучка в октябре и ноябре 2011 года также согласуется с этим результатом:

наносекунды

Хотя при экстремальных погрешностях эти результаты все еще допускают сверхсветовые скорости нейтрино, они в основном согласуются со скоростью света, а граница разницы скоростей на порядок точнее, чем предыдущие земные измерения времени пролета. [20]

СПГС (2012)

Продолжая измерения OPERA и ICARUS, эксперименты LNGS Borexino , LVD , OPERA и ICARUS провели новые тесты между 10 и 24 мая 2012 года, после того как ЦЕРН предоставил еще один повторный запуск сгруппированного пучка. Все измерения соответствовали скорости света. [19] 17-ГэВ пучок мюонных нейтрино состоял из 4 партий на извлечение, разделенных ~300 нс, а партии состояли из 16 сгустков, разделенных ~100 нс, с шириной сгустка ~2 нс. [21]

Борексино

Коллаборация Borexino проанализировала как повторный запуск сгруппированного пучка в октябре-ноябре 2011 года, так и второй повторный запуск в мае 2012 года. [21] Для данных 2011 года они оценили 36 нейтринных событий и получили верхний предел для разницы во времени пролета:

наносекунды.

Для измерений в мае 2012 года они улучшили свое оборудование, установив новую аналоговую систему запуска с малым дрожанием и геодезический GPS-приемник, соединенный с часами Rb . [22] Они также провели независимое высокоточное геодезическое измерение совместно с LVD и ICARUS. 62 нейтринных события могли быть использованы для окончательного анализа, что дало более точный верхний предел для разницы во времени пролета [21]

наносекунды,

соответствующий

(90% КЛ).

ЛВД

Сотрудничество LVD впервые проанализировало повторный запуск пучка в октябре-ноябре 2011 года. Они оценили 32 события нейтрино и получили верхний предел для разницы во времени пролета: [23]

наносекунды.

В измерениях в мае 2012 года они использовали новый временной объект LNGS от коллаборации Borexino и геодезические данные, полученные LVD, Borexino и ICARUS (см. выше). Они также обновили свои сцинтилляционные счетчики и триггер . Для анализа в мае было использовано 48 нейтринных событий (при энергиях выше 50 МэВ, средняя энергия нейтрино составила 17 ГэВ), что улучшило верхний предел для разницы во времени пролета [23]

наносекунды,

соответствующий

(99% ДИ).

ИКАР

После публикации анализа повторного запуска пучка в октябре-ноябре 2011 г. (см. выше) сотрудничество ICARUS также предоставило анализ повторного запуска в мае. Они существенно улучшили свою собственную внутреннюю систему синхронизации и между CERN-LNGS, использовали геодезические измерения LNGS вместе с Borexino и LVD, а также задействовали синхронизирующее устройство Borexino. Для окончательного анализа были оценены 25 событий нейтрино, что дало верхний предел для разницы во времени пролета: [24]

наносекунды,

соответствующий

.

Скорости нейтрино, превышающие скорость света более чем на (95% CL), исключаются.

ОПЕРА

После исправления первоначальных результатов OPERA также опубликовала свои измерения за май 2012 года. [25] Для оценки событий нейтрино использовались дополнительная, независимая система синхронизации и четыре различных метода анализа. Они дали верхний предел для разницы во времени пролета между легкими и мюонными нейтрино (от 48 до 59 событий нейтрино в зависимости от метода анализа):

наносекунды,

и между легкими и антимюонными нейтрино (3 нейтринных события):

наносекунды,

в соответствии со скоростью света в диапазоне

(90% КЛ).

МИНОС (2012)

Старая система отсчета времени

Сотрудничество MINOS далее проработало свои измерения скорости 2007 года. Они изучили данные, собранные за семь лет, улучшили систему синхронизации GPS и понимание задержек электронных компонентов, а также использовали модернизированное оборудование синхронизации. Нейтрино охватывают 10 -мкс разлив, содержащий 5-6 партий. Анализы проводились двумя способами. Во-первых, как и в измерении 2007 года, данные на дальнем детекторе статистически определялись данными ближнего детектора («подход полного разлива»): [26] [27]

наносекунды,

Во-вторых, были использованы данные, связанные с самими партиями («подход с упакованным разливом»):

наносекунды,

Это согласуется с тем, что нейтрино движутся со скоростью света, и существенно улучшает предварительные результаты 2007 года.

Новая система хронометража

Для дальнейшего повышения точности была разработана новая система синхронизации. В частности, были установлены «Монитор тока резистивной стены» (RWCM), измеряющий временное распределение протонного пучка, атомные часы CS, двухчастотные GPS-приемники и вспомогательные детекторы для измерения задержек детекторов. Для анализа нейтринные события могли быть связаны с определенным 10-мкс выбросом протона, из которого был сгенерирован анализ вероятности, а затем вероятности различных событий были объединены. Результат: [28] [29]

наносекунды,

и

.

Это было подтверждено в окончательной публикации в 2015 году. [30]

Косвенные определения

Нарушающие закон Лоренца структуры, такие как Расширение Стандартной модели , включающее нарушающие закон Лоренца нейтринные осцилляции, также позволяют косвенно определять отклонения между скоростью света и скоростью нейтрино, измеряя их энергию и скорости распада других частиц на больших расстояниях. [4] С помощью этого метода можно получить гораздо более строгие ограничения, например, у Штекера и др.: [ 31]

.

Для получения дополнительных косвенных данных о сверхсветовых нейтрино см. Современные поиски нарушения Лоренца § Скорость нейтрино .

Ссылки

  1. ^ J. Beringer ( Particle Data Group ); et al. (2012). "Свойства нейтрино – Обзор физики элементарных частиц". Physical Review D. 86 ( 1): 010001. Bibcode : 2012PhRvD..86a0001B. doi : 10.1103/PhysRevD.86.010001 . hdl : 10481/34377 .
  2. ^ Chodos, Alan; Hauser, Avi I.; Alan Kostelecký, V. (1985). "Нейтрино как тахион". Physics Letters B. 150 ( 6): 431. Bibcode :1985PhLB..150..431C. doi :10.1016/0370-2693(85)90460-5. hdl : 2022/20737 .
  3. ^ Хьюз, Ричард Дж.; Стивенсон, Г. Дж. (1990). «Против тахионных нейтрино». Physics Letters B. 244 ( 1): 95–100. Bibcode : 1990PhLB..244...95H. doi : 10.1016/0370-2693(90)90275-B.
  4. ^ ab Díaz, Jorge S.; Kostelecký, V. Alan (2012). "Lorentz- и CPT-нарушающие модели для нейтринных осцилляций". Physical Review D. 85 ( 1): 016013. arXiv : 1108.1799 . Bibcode : 2012PhRvD..85a6013D. doi : 10.1103/PhysRevD.85.016013. S2CID  55890338.
  5. ^ P. Alspector; et al. (1976). "Экспериментальное сравнение скоростей нейтрино и мюонов" (PDF) . Physical Review Letters . 36 (15): 837–840. Bibcode : 1976PhRvL..36..837A. doi : 10.1103/PhysRevLett.36.837.
  6. ^ Kalbfleisch; Baggett, Neil; Fowler, Earle; Alspector, Joshua; et al. (1979). «Экспериментальное сравнение скоростей нейтрино, антинейтрино и мюонов». Physical Review Letters . 43 (19): 1361–1364. Bibcode : 1979PhRvL..43.1361K. doi : 10.1103/PhysRevLett.43.1361.
  7. ^ Хирата и др. (1987). «Наблюдение нейтринного всплеска от сверхновой SN1987A». Physical Review Letters . 58 (14): 1490–1493. Bibcode :1987PhRvL..58.1490H. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.1490 . PMID  10034450.
  8. ^ Bionta; et al. (1987). «Наблюдение нейтринного всплеска в совпадении со сверхновой 1987A в Большом Магеллановом Облаке». Physical Review Letters . 58 (14): 1494–1496. Bibcode :1987PhRvL..58.1494B. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.1494 . PMID  10034451.
  9. ^ Лонго, Майкл Дж. (1987). «Проверки относительности из SN1987A». Physical Review D. 236 ( 10): 3276–3277. Bibcode : 1987PhRvD..36.3276L. doi : 10.1103/PhysRevD.36.3276. PMID  9958094.
  10. ^ Стодольский, Лео (1988). «Скорость света и скорость нейтрино». Physics Letters B. 201 ( 3): 353–354. Bibcode : 1988PhLB..201..353S. doi : 10.1016/0370-2693(88)91154-9.
  11. ^ ab сотрудничество MINOS (2007). "Измерение скорости нейтрино с помощью детекторов MINOS и пучка нейтрино NuMI". Physical Review D. 76 ( 7): 072005. arXiv : 0706.0437 . Bibcode : 2007PhRvD..76g2005A. doi : 10.1103/PhysRevD.76.072005. S2CID  14358300.
  12. ^ Сотрудничество OPERA (22 сентября 2011 г.). «Измерение скорости нейтрино с помощью детектора OPERA в пучке CNGS». arXiv : 1109.4897v1 [hep-ex].
  13. ^ Джулия Брунетти (2011). "Измерение скорости нейтрино с помощью эксперимента OPERA в пучке CNGS" (PDF) . Диссертация . Получено 24 ноября 2011 г. .[ постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ "Эксперимент OPERA сообщает об аномалии во времени полета нейтрино из ЦЕРНа в Гран-Сассо". Пресс-релиз ЦЕРНа. 23 февраля 2012 г. Архивировано из оригинала 17 марта 2012 г. Получено 23 февраля 2012 г.
  15. ^ Сотрудничество OPERA (18 ноября 2011 г.). «Измерение скорости нейтрино с помощью детектора OPERA в пучке CNGS». arXiv : 1109.4897v2 [hep-ex].
  16. ^ «Новые тесты подтверждают результаты OPERA по скорости нейтрино, но это еще не окончательное подтверждение». Пресс-релиз INFN. 18 ноября 2011 г. Получено 18 ноября 2011 г.
  17. ^ Семинар LNGS (28 марта 2012 г.): Результаты LNGS по теме скорости нейтрино
  18. ^ Сотрудничество LVD и OPERA (2012). «Определение сдвига во времени в установке OPERA с использованием горизонтальных мюонов высокой энергии в детекторах LVD и OPERA». The European Physical Journal Plus . 127 (6): 71. arXiv : 1206.2488 . Bibcode : 2012EPJP..127...71A. doi : 10.1140/epjp/i2012-12071-5. S2CID  118387598..
  19. ^ ab "Нейтрино, отправленные из ЦЕРНа в Гран-Сассо, соблюдают космический предел скорости". Пресс-релиз ЦЕРНа. 8 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 17 марта 2012 г. Получено 8 июня 2012 г.
  20. ^ Сотрудничество OPERA (2012). "Измерение скорости нейтрино с помощью детектора OPERA в пучке CNGS". Журнал физики высоких энергий . 2012 (10): 93. arXiv : 1109.4897 . Bibcode : 2012JHEP...10..093A. doi : 10.1007/JHEP10(2012)093. S2CID  17652398.
  21. ^ Сотрудничество abc Borexino (2012). «Измерение скорости мюонных нейтрино CNGS с помощью Borexino». Physics Letters B. 716 ( 3–5): 401–405. arXiv : 1207.6860 . Bibcode : 2012PhLB..716..401A. doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.052.
  22. ^ Caccianiga; et al. (2012). "GPS-based CERN-LNGS time link for Borexino". Journal of Instrumentation . 7 (8): P08028. arXiv : 1207.0591 . Bibcode :2012arXiv1207.0591C. doi :10.1088/1748-0221/7/08/P08028. S2CID  52217499.
  23. ^ ab LVD collaboration (2012). "Измерение скорости нейтрино из пучка CNGS с помощью детектора большого объема". Physical Review Letters . 109 (7): 070801. arXiv : 1208.1392 . Bibcode :2012PhRvL.109g0801A. doi :10.1103/PhysRevLett.109.070801. PMID  23006352. S2CID  2563908.
  24. ^ Сотрудничество ICARUS (2012). "Точное измерение скорости нейтрино с помощью детектора ICARUS в пучке CNGS". Журнал физики высоких энергий . 2012 (11): 49. arXiv : 1208.2629 . Bibcode : 2012JHEP...11..049A. doi : 10.1007/JHEP11(2012)049. S2CID  51160473.
  25. ^ Сотрудничество OPERA (2013). "Измерение скорости нейтрино с помощью детектора OPERA в пучке CNGS с использованием выделенных данных 2012 года". Журнал физики высоких энергий . 2013 (1): 153. arXiv : 1212.1276 . Bibcode : 2013JHEP...01..153A. doi : 10.1007/JHEP01(2013)153. ​​S2CID  119258343.
  26. ^ Адамсон, П. (2013). «Скорость нейтрино: результаты и перспективы экспериментов на линиях пучка, отличных от CNGS». Ядерная физика B: Дополнения к трудам . 235 : 296–300. Bibcode : 2013NuPhS.235..296A. doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2013.04.025. OSTI  1128005.
  27. ^ "MINOS сообщает о новом измерении скорости нейтрино". Fermilab сегодня. 8 июня 2012 г. Получено 8 июня 2012 г.
  28. ^ P. Adamson; et al. (2012). «Измерение скорости нейтрино с помощью MINOS». Труды 44-го ежегодного совещания по системам и приложениям точного времени и временных интервалов : 119–132. arXiv : 1408.6267 . Bibcode : 2014arXiv1408.6267A.
  29. ^ «Превышение предела скорости? Измерение нейтрино с точностью до наносекунды». Fermilab сегодня. 13 апреля 2013 г. Получено 13 апреля 2013 г.
  30. ^ Адамсон, П.; и др. (2015). «Точное измерение скорости распространения нейтрино с использованием детекторов MINOS». Physical Review D. 92 ( 5): 052005. arXiv : 1507.04328 . Bibcode : 2015PhRvD..92e2005A. doi : 10.1103/PhysRevD.92.052005. S2CID  34131180.
  31. ^ Stecker, Floyd W. (2014). «Ограничение сверхсветовых скоростей электронов и нейтрино с использованием вспышки Крабовидной туманности 2010 года и событий нейтрино IceCube PeV». Astroparticle Physics . 56 : 16–18. arXiv : 1306.6095 . Bibcode : 2014APh....56...16S. doi : 10.1016/j.astropartphys.2014.02.007. S2CID  35659438.

Связанная беллетристика

Внешние ссылки