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.
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.
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.
Наиболее точное соответствие скорости света (по состоянию на 2012 год [обновлять]) 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]
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.
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]
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):
и пределы разницы скоростей:
Соответствующий новый анализ для сгруппированного пучка в октябре и ноябре 2011 года также согласуется с этим результатом:
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]
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]
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:
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]
соответствующий
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]
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]
соответствующий
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]
соответствующий
Скорости нейтрино, превышающие скорость света более чем на (95% CL), исключаются.
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):
и между легкими и антимюонными нейтрино (3 нейтринных события):
в соответствии со скоростью света в диапазоне
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]
Во-вторых, были использованы данные, связанные с самими партиями («подход с упакованным разливом»):
Это согласуется с тем, что нейтрино движутся со скоростью света, и существенно улучшает предварительные результаты 2007 года.
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]
и
Это было подтверждено в окончательной публикации в 2015 году. [30]
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 .