Kdo se mýlí v neutrinech, která jsou rychlejší než světlo?

Další měření sice potvrdila nadsvětelnou rychlost částic, vysvětlení však stále chybí. Pokračování fyzikální revoluce komentuje profesor Chýla.

Jiří Chýla 21.11.2011

Detektor Atlas v italském Gran Sassu je klíčová součást urychlovače částic, v níž se měří rychlost neutrin letících z ženevského CERNu. foto: © CERNČeská pozice

Detektor Atlas v italském Gran Sassu je klíčová součást urychlovače částic, v níž se měří rychlost neutrin letících z ženevského CERNu.

První zpráva o tom, že v italské laboratoři Gran Sasso vědci naměřili částicím zvaným neutrina rychlost vyšší než rychlost světla, obletěla svět 22. září. Ve čtvrtek 17. listopadu vědci z ženevského CERN zářijové výsledky potvrdili dalším pozorováním. Můžeme již přepisovat fyzikální zákony?

Profesor Jiří Chýla ve své analýze pro ČESKOU POZICI upozorňuje, že je třeba ještě zodpovědět otázku, zda jsou výsledky experimentu zvaného OPERA konzistentní s jinými pozorováními, respektive jak si pozorování OPERY vysvětlit. „OPERA by mohla mít další dějství,“ píše profesor Chýla.

V analýze zářijových výsledků experimentu OPERA, které se týkají měření rychlosti pohybu mionových neutrin, jsem podrobněji popsal hlavní problém, totiž že svazek protonů, z nichž se mionová neutrina vyrábějí, dopadá na uhlíkový terč v pulsech trvajících 10 miliontin vteřiny (10 mikrosekund).

To je ovšem 167krát více než 60 miliardtin vteřiny (60 nanosekund), o něž dorazila mionová neutrina z ženevského CERN do italské laboratoře Gran Sasso dříve, než by stejnou vzdálenost urazilo světlo ve vakuu (zdůrazňuji ve vakuu, v prostředí se světlo šíří pomaleji a hmotné částice ho mohou předběhnout). A tisíckrát více, než je chyba, kterou experiment OPERA u tohoto svého výsledku uvádí. Při tomto uspořádání svazku protonů pochopitelně nelze určit, z kterého protonu pochází neutrino, jež v OPEŘE zanechalo stopu. Metoda, kterou OPERA za těchto okolností použila, se opírá o porovnání statistických souborů mnoha (zhruba 16 tisíc) případů zaregistrovaných v OPEŘE.

Pokus číslo 2: Méně srážek

Již počátkem října hovořil ředitel CERN pro výzkum Sergio Bertolucci o úmyslu CERN ověřit ve spolupráci s týmem experimentu OPERA jeho výsledky metodou, která umožní přiřadit jednotlivé srážky neutrin zaznamenané v detektoru OPERA velmi úzkému časovému intervalu, kdy v CERN vznikly, a tím se vyhnout netriviální statistické analýze. Cena, kterou je třeba za toto nové uspořádání svazku protonů zaplatit, je přijatelná. Sice se výrazně sníží intenzita svazku (v uspořádání svaku protonů popisovaném níže byla jeho intenzita 60krát nižší než při standardním běhu experimentu), ale pro ověření předchozího výsledku bude stačit daleko méně zaznamenaných srážek. Úprava se přitom týká jen tvaru dopadajícího svazku protonů, detektor OPERA poběží naprosto stejně jako dosud.

V den výročí naší sametové revoluce oznámila kolaborace experimentu OPERA, že zaslala k publikaci článek, v němž svou původní analýzu zpřesnila a doplnila o výsledky získané s výše nastíněným novým uspořádáním svazku protonů, z jejichž srážek v CERN neutrina vznikají.

Místo vlaku vagonky

To, co v článku není a co by bylo velmi užitečné znát, jsou údaje o energii 20 případů srážek, zaznamenaných v novém uspořádání svazku protonůKonkrétně to znamenalo, že svazek protonů byl rozdělen (viz obrázek 16 v citovaném článku) na velmi krátké pulzy („vagonky“) o délce trvání 3 miliardtiny vteřiny (3 nanosekundy), mezi nimiž byla relativně dlouhá mezera 524 nanosekund. Na rozdíl od předchozího uspořádání, kdy byla délka pulzu („vlaku“) 167krát větší než pozorovaný efekt, byla tedy v novém uspořádání délka pulzu jen dvacetinou naměřených 60 nanosekund. Dlouhá mezera mezi vagonky přitom zajišťuje, že každý jednotlivý případ v Opeře bude jednoznačně přiřazen jednomu vagonku protonů.

Během 16 dní, od 22. října do 6. listopadu, bylo v tomto novém uspořádání zaznamenáno v detektoru OPERA celkem 20 případů srážek mionových neutrin s neutrony v jádrech olova. Pro každou takovou srážku byla změřena doba ?t, o niž neutrina „předběhla světlo“, a vynesena do grafu na obrázku 18 výše citované práce. Z obrázku je patrné, že naměřené hodnoty ?t pokrývají zhruba rovnoměrně interval od 38 do 94 nanosekund. Každé jednotlivé měření má přitom chybu zhruba 16 nanosekund, takže tento naměřený rozptyl hodnot ?t je konzistentní s tím, že střední hodnota je 58 nanosekund (v původní verzi článku činila 61 nanosekund). Přesto uvedené měření neznamená, že všechna neutrina mají přesně stejnou rychlost. Naměřená hodnota ?t= 57.8±10 ns znamená, že se neutrina pohybují rychlostí, jež je o zhruba 24 miliontin rychlosti světla větší, přesněji ?=(v-c)/c = 0,0000237.

To, co v článku není a co by bylo velmi užitečné znát, jsou údaje o energii 20 případů srážek, zaznamenaných v novém uspořádání svazku protonů. Pro změření energie srážejícího se neutrina je ovšem třeba detekovat všechny částice, které při srážce vznikly, a to je v tak malém souboru 20 srážek možné jen v několika málo z nich. Zřejmě proto tato informace v práci chybí. Tato informace je přitom klíčová pro odpověď na otázku, zda jsou výsledky z OPERY konzistentní s jinými pozorováními, respektive jak pozorování OPERY vysvětlit.

OPERA versus neutrina ze supernovy

První překážkou, kterou musí měření z OPERY překonat, je skloubit pozorovaný relativní rozdíl rychlostí ? s informací o neutrinech ze supernovy SN1987A ve Velkém Magellanově mračnu, jež je od nás vzdálena 168 tisíc světelných let.

23. února 1987 v 7:35 dopoledne univerzálního času zaznamenali tři detektory neutrin (jeden v Japonsku, druhý v USA a třetí v tehdejším SSSR) během 11 vteřin celkem 24 neutrin. Tyto experimenty nečekaly na neutrina ze supernov, ale hledaly případy rozpadu protonu. Uvedená časová koincidence tolika neutrin během tak krátkého intervalu byla naprosto neočekávaná a nemohla být náhodným důsledkem statistické fluktuace.

Tři hodiny poté dorazilo na Zem ze supernovy SN1987A i světlo ve viditelné oblasti spektra. Skutečnost, že světlo dorazilo později než neutrina, ovšem neznamená, že se neutrina pohybují nadsvětelnou rychlostí, jak se bohužel často tvrdí, například v pořadu Port České televize. Pozorované časové zpoždění světla je velmi pravděpodobně důsledkem skutečnosti, že neutrina vznikají při zhroucení jádra supernovy, zatímco na Zem dopadající viditelné světlo vzniká až v pozdějším stádiu vývoje supernovy.

Je zcela jisté, že rychlost pohybu neutrin musí silně záviset na jejich energiiPokud by se neutrina ze supernovy pohybovala stejnou rychlostí jako neutrina v OPEŘE, musel by signál neutrin ze supernovy SN1987A na Zem dorazit ne o 3 hodiny, ale o 4 roky dříve. A i kdybychom interpretovali celé 3 hodiny, o které neutrina dorazila na Zem před světlem, jako projev jejich nadsvětelné rychlosti, znamenalo by to, že se mohou pohybovat maximálně o 2 miliardtiny rychlosti světla rychleji, a nikoliv o 24 miliontin (tedy 10tisíckrát více) jako v OPEŘE.    

Neutrina ze supernovy mají ovšem v průměru tisíckrát menší energii než neutrina v OPEŘE, takže obě pozorování jsou v principu slučitelná. Je ovšem zcela jisté, že rychlost pohybu neutrin musí na jejich energii silně záviset.

Tachyony?  Ani nápad!

Jako ilustraci této závislosti a také významu dat o neutrinech ze supernovy SN1987A je užitečné připomenout, že pozorování OPERY nelze vysvětlit předpokladem, že neutrina se chovají jako tachyony, objekty (úmyslně neříkám částice), které se pohybují pouze nadsvětelnou rychlostí. Ačkoliv dodnes neexistuje žádná konzistentní teorie popisující vzájemné působení tachyonů a „normálních“ částic, byla v polovině 80. let několika autory vyslovena hypotéza, že by neutrina mohla být tachyony. Tachyony ovšem charakterizuje zcela opačná závislost energie na rychlosti, než na jakou jsme zvyklí.

Tachyony charakterizuje zcela opačná závislost energie na rychlosti, než na jakou jsme zvyklíEnergie „normální“ částice roste s rychlostí, a to tak, že pro rychlost blížící se zespoda k rychlosti světla ve vakuu energie částice roste do nekonečna. Energie tachyonů naopak s rostoucí rychlostí klesá, a to tak, že pro nekonečnou rychlost je nula. Podobně, pro rychlost klesající k rychlosti světla energie tachyonů neklesá, jako je tomu u normálních částic, ale roste až do nekonečna. Proto také nelze tachyon zpomalit na podsvětelnou rychlost.

Pokud by neutrina v OPEŘE byly tachyony, musela by rychlost neutrin ze supernovy SN1987A, která mají energii zhruba tisíckrát menší než neutrina v OPEŘE, být asi desetinásobkem rychlosti světla ve vakuu. Přiletěla by proto před zhruba 150 tisíci lety a detekovat by je měl šanci snad jedině nějaký šikovný neandertálec.

Proč neutrina v urychlovači neztratila energii?

Druhý problém, s kterým výsledky OPERYmusí vyrovnat, je efekt, na nějž upozornili Cohen a Glashow (nositel Nobelovy ceny za fyziku v roce 1989) v článku, který vyšel 27. října a jehož preprintová verze je volně dostupná.

Buď se mýlí OPERA, nebo Glashow s CohenemJde o to, že pokud se mionové neutrino pohybuje nadsvětelnou rychlostí tak, jak tvrdí OPERA, mělo by se podle našich současných znalostí při letu rozpadat na mionové neutrino s menší energií a pár elektron plus pozitron. Tento proces (který připomíná rozpad nabitého mionu na mionové neutrino a pár elektron plus elektronové antineutrino), normálně probíhat nemůže, neboť tomu brání zákon zachování energie, ale pro případ, že se neutrino může pohybovat nadsvětelnou rychlostí, povolen je. Uvedení autoři navíc spočítali, že v důsledku tohoto procesu by neutrina měla během cesty z CERN do OPERY ztratit podstatnou část své energie.

To je v rozporu s pozorováním samotné OPERY i dalšího experimentu v Gran Sassu, který se nazývá ICARUS, má podobný cíl jako OPERA a využívá stejný svazek neutrin. Tento experiment v článku z 22. října, kterým reagoval na výsledky OPERY a práci Cohena a Glashowa, ukázal, že neutrina na cestě z CERN do Gran Sassa žádnou měřitelnou energii neztrácejí. Na veličinu ?=(v-c)/c tím stanovil horní mez, jež je tisíckrát menší hodnota ?=(v-c)/c = 0,0000237 změřená OPEROU. Takže buď se mýlí OPERA, nebo Glashow s Cohenem. Můj tip je to první. Ale i já se mohu mýlit.

Další dějství OPERY?

Pro pochopení podstaty pozorování OPERY je klíčové najít odpověď na otázku, zda existuje omezení na rychlosti, kterou se mohou neutrina pohybovat, a v případě že ano, jaké toto omezení je. Úmyslně zde neříkám „mionová neutrina“, neboť pokud by se nadsvětelnou rychlostí mohlo šířit mionové neutrino, muselo by v důsledku oscilací neutrin, o němž jsem psal v předchozím článku, mít stejnou vlastnost i elektronové a tauonové neutrino.

Na tuto otázku je třeba najít experimentální odpověď a sama OPERA k ní může významně přispět. I když svazek neutrin přicházející z CERN má střední hodnotu kolem 17 GeV, lze očekávat srovnatelný počet srážek neutrin s energiemi od 5 do 25 GeV. Pro to, aby bylo možné změřit případnou závislost rychlosti neutrin na jejich energii, bude ovšem třeba v novém uspořádání svazku protonů měřit déle než 16 dní, aby bylo možno nabrat větší počet – aspoň několik desítek – případů, kdy jsou v detektoru zaznamenány všechny částice vznikající ve srážce. To není nereálné. OPERA by mohla mít další dějství.

Související článek: Kdo zpomalí neutrina?

Počet příspěvků: 2, poslední 25.11.2011 02:24 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.