Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
В конце прошлой недели коллаборация OPERA опубликовала результаты эксперимента, в котором измеряемая скорость движения нейтрино превысила скорость света в вакууме. Физики, в отличие от СМИ, комментировали эти сенсационные данные очень осторожно, высказывая сомнения в их истинности. Мы попытаемся выделить основные проблемы, на которые указывают скептики.
Стоит сразу сказать, что серьёзных вопросов по погрешности измерений расстояния и времени пока не возникало. Учёные, как предполагается, действительно сумели синхронизировать отсчёт времени в лаборатории Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), где смонтирован источник нейтрино, и подземной Национальной лабораторией Гран-Сассо с расположенным в ней детектором, а также оценили длину отрезка прямой, соединяющей две установки, с точностью до 20 см.
Беспокоит физиков другое — используемый OPERA метод оценки скорости. Хотя в интервью ScienceNOW представитель коллаборации Антонио Эредитато (Antonio Ereditato) и заявлял, что скорость вычисляется очевидным «школьным» способом, то есть делением измеренного расстояния на измеренное время, он немного лукавил: на самом деле всё не так просто.
Во-первых, точно определить расстояние, пройденное нейтрино, невозможно, о чём сами авторы работы упоминают в подготовленном ими препринте. Устранить этот недостаток не позволяет схема получения нейтрино, в которой задействован суперпротонный синхротрон ЦЕРН, подающий разогнанные протоны на графитовую мишень. Здесь рождаются пионы и каоны, которые затем направляются в километровый тоннель. В какой-то момент полёта они распадаются с образованием нейтрино, причём этот момент остаётся неизвестным; к счастью, пионы и каоны также летят со скоростью, приближенной к световой, и успешно «подменяют» нейтрино на своём участке пути, не внося существенной погрешности.
Чёрным показано распределение отмеченных нейтринных событий по времени регистрации, а красным — условный сигнал, который распространяется со скоростью света в вакууме. Хорошо видно, что реальный сигнал приходит примерно на 1 000 нс раньше; когда этот сдвиг вводят искусственно (см. правое верхнее изображение), наблюдается хорошее согласование. При учёте известных эффектов упомянутый интервал в тысячу с лишним наносекунд сокращается до 60,7 нс, что и называют тем временем, на которое нейтрино опережают свет. В нижней части рисунка показаны передний и задний фронты распределения. (Иллюстрация OPERA Collaboration.)
Во-вторых, физики не имеют возможности соотнести нейтрино, провзаимодействовавшее в детекторе OPERA, с протоном, который породил зарегистрированную частицу. Этот недостаток эксперимента вносит заметные коррективы в методику: поскольку длительность каждого сеанса выведения протонов на мишень (по меркам исследования, ориентированного на наносекундные величины) огромна и составляет 10,5 мкс, учёным приходится рассматривать не отдельные события, отмеченные детектором, а их совокупность, и сравнивать (см. рис. выше) измеренное распределение моментов регистрации множества нейтрино с ожидаемым распределением. Последнее рассчитывается по известным временным характеристикам пучка протонов, которые определяет отдельный детектор, смонтированный в 743 м перед мишенью.
Хотя обнаружить серьёзную ошибку в рассуждениях авторов никому пока не удалось, описанный способ обработки данных многим кажется ненадёжным. К примеру, российский физик Игорь Иванов в своём блоге обращает внимание на то, что сотрудники OPERA по какой-то причине реализовали не все возможности выбранной методики: совмещая распределение нейтрино по временам прихода, которое имеет трапециевидную форму с резкими передним и задним фронтами и широким срединным плато с небольшими колебаниями, с ожидаемым профилем, они ориентируются в основном на крутые фронты. При этом интенсивность пучка протонов, контролируемая перед мишенью, имеет, помимо чётких фронтов, характерные флуктуации, хорошо различимые на рисунке ниже. По мнению г-на Иванова, соответствующие флуктуациям всплески внутри трапециевидного сигнала можно было бы использовать при анализе для повышения точности.
Интенсивность протонного пучка, выдаваемого суперпротонным синхротроном (иллюстрация OPERA Collaboration).
Говоря о своём настороженном отношении к новым результатам, специалисты также указывают на огромный разрыв между измерениями OPERA и другими экспериментальными данными — наблюдениями сверхновой SN 1987A. Известно, что приблизительно за три часа до того, как видимый свет вспышки сверхновой достиг Земли, три нейтринные обсерватории зарегистрировали превышение обычного фонового потока. Вероятнее всего, нейтрино и фотоны просто испускались в разные моменты времени, но даже в предположении о сверхсветовых нейтрино величина (v – с)/с — относительная разность скоростей нейтрино и света в вакууме — не должна превышать 2•10–9. Несмотря на то что временнóй сдвиг кажется очень значительным, разность скоростей получается ничтожной, так как взрыв произошёл на удалении в 168 000 световых лет от Земли.
Расчёты коллаборации OPERA, напомним, дают (v – с)/с = [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10–5 — значение, на четыре порядка превышающее установленный предел; если бы нейтрино, испущенные SN 1987A, двигались с такой скоростью, они пришли бы гораздо раньше. Это очевидное расхождение можно было бы списать на то, что частицы от SN 1987A, энергия которых измерялась десятками мегаэлектронвольт, и нейтрино OPERA со средней энергией в 17 ГэВ находятся, так сказать, в разных весовых категориях, но тогда теоретикам пришлось бы вводить необычайно сильную зависимость скорости нейтрино от энергии. В самом эксперименте OPERA никаких признаков такой зависимости найдено не было, хотя физики пробовали разделять данные на два примерно равных по объёму массива, содержащих зарегистрированные нейтрино с энергиями ниже и выше 20 ГэВ. В низкоэнергетической выборке величина δt (разность времён прохождения дистанции, одно из которых рассчитывается для света в вакууме, а другое — измеряется опытным путём для нейтрино) оказалась равна 53,1 ± 18,8 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс, а в высокоэнергетической — 67,1 ± 18,2 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс. Установить какую-либо зависимость от энергии здесь невозможно.
