Konec neposlušných neutrin

Lze světlo předběhnout i ve vakuu? Zatím se zdá, že nikoliv a že se neutrina chovají spořádaně podle Einsteinovy teorie relativity.

foto: © montáž ČESKÁ POZICEČeská pozice

Je tomu půl roku, co svět obletěla zpráva, která mnohým, veřejnosti i odborníkům, vyrazila dech: Einstein se mýlil, světlo lze i ve vakuu (v prostředí to není problém) předběhnout. Tou neposlušnou částicí, co tohle měla dokázat, bylo neutrino, přesněji řečeno mionové neutrino, vyrobené v ženevském výzkumném centru CERN při srážkách protonů s protony.

V předchozích článcích pro ČESKOU POZICI jsem popsal původní uspořádání experimentu OPERA s dlouhými pulzy neutrin i jeho modifikaci s velmi krátkými pulzy, jež výsledek měření rychlosti neutrin v původním uspořádání potvrdila. Tak zásadní objev, jenž by narušil jeden ze dvou hlavních pilířů moderní fyziky (druhým je kvantová teorie), však bylo nutné podrobit dalším zevrubným prověrkám, a to jak v rámci samotného experimentu OPERA, tak především v jiných nezávislých experimentech. Proto byl plánován na jaro letošního roku další běh experimentu OPERA s ještě jiným uspořádáním svazku neutrin. A podobná měření plánovaly i experimenty v USA a Japonsku.

Kdo se mýlí v neutrinech, rychlejších než světlo?

Mezitím však došlo ke dvěma událostem, které situaci dramaticky změnily a velmi pravděpodobně přinesly odpověď na otázku položenou v mezititulku. Nejdříve v úterý 28. února vydala kolaborace experimentu OPERA toto oficiální prohlášení:

Kolaborace OPERA identifikovala při pokračující prověrce měření rychlosti neutrin dva problémy, které by mohly významně ovlivnit publikované výsledky. První se týká oscilátoru, který se používá pro určení času srážky neutrin mezi dvěma synchronizacemi pomocí GPS. Druhý souvisí s připojením optického kabelu, jímž je přiváděn k centrálním hodinám experimentu signál z externího GPS. Tyto dva problémy by mohly změnit dobu letu neutrina opačným směrem. Pokračujeme ve snaze jednoznačně stanovit jejich vliv na pozorovaný efekt a těšíme se na nové měření rychlosti neutrin, jakmile bude k dispozici jejich nový svazek. Podrobná zpráva o výše zmíněné prověrce a jejich výsledcích bude v nejbližší době poskytnuta vědecké obci a agenturám.
(Trochu zjednodušeně řečeno, byla nalezena chyba v kabeláži v místě klíčovém pro synchronizaci času v CERN a OPEŘE.)

Krátce nato, 15. března, se na webu objevil článek kolaborace ICARUS nazvaný Měření rychlosti neutrin v detektoru ICARUS, jehož výsledky jsou v souladu s teorií relativity a v přímém rozporu s výsledky experimentu OPERA.

Připomeňme, že experiment ICARUS využívá stejný svazek neutrin vyrobený v CERN jako OPERA a je umístěn ve stejné laboratoři asi 56 metrům před OPEROU. Byl uveden do provozu teprve v roce 2010 a má podstatně širší vědecký program než OPERA. Je také menší a používá zcela jinou metodu detekce neutrin. Právě různost metod detekce a konstrukce detektoru je důležitá pro nezávislé potvrzení či vyvrácení výsledků OPERY.

Má pravdu ICARUS?

Experiment ICARUS využil na přelomu října a listopadu 2011 stejného svazku složeného z krátkých pulzů neutrin jako OPERA. Zaznamenal celkem sedm případů srážek neutrin, zatímco OPERA jich zaznamenala 20. Tento rozdíl je důsledkem skutečnosti, že objem citlivé části detektoru ICARUS je menší než u OPERY a ICARUS nabíral data jen polovinu doby od 22. října do 6. listopadu 2011, kdy byl v provozu svazek neutrin z CERN s krátkými pulzy.

Výsledky OPERY a ICARUSU

Graf Opera IcarusV levé části obrázku je vyneseno rozdělení počtu neutrin (na ose y) zaznamenaných v OPEŘE jako funkce doby, o kterou přiletěla do detektoru OPERA neutrina dříve (kladná část osy x) nebo později (záporná část osy x), než by měla, kdyby se pohybovala přesně rychlostí světla ve vakuu. Vidíme, že všechna neutrina přiletěla dříve, než měla, a že doba, o níž neutrina v OPEŘE předběhla světlo, se pohybuje v intervalu od 40 do 90 miliardtin vteřiny se střední hodnotou kolem 60 miliardtin vteřiny. V pravé části obrázku je pak analogické rozdělení pro sedm případů zaznamenaných detektorem ICARUS. Vidíme, že v tomto případě je rozdělení rozloženo symetricky kolem nuly (některá neutrina tedy přiletěla dříve a některá později, než by letělo světlo ve vakuu) a střední hodnota je plně konzistentní s nulou.

Čí to byla chyba?

Je předčasné dělat definitivní závěr, že v měření OPERY byla technická chyba, ale je to nanejvýše pravděpodobné. ICARUS si dal s analýzou oněch sedmi případů na čas, ale to je správné. Je také známo, že mezi kolaboracemi OPERA a ICARUS panuje značná konkurence, což je i ve vědě v zásadě pozitivní věc. Vedoucím ICARUSU je Carlo Rubbia, laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 1984 a bývalý ředitel CERN, osobnost mimořádně aktivní i v pokročilém věku, který metodu detekce částic používanou v ICARUSU vymyslel.

Vedení laboratoře Gran Sasso LNGS nemělo připustit, aby tak revoluční objev ohlásil jen jeden ze dvou experimentů, které měření provedlyICARUS začal nabírat data teprve během roku 2010, zatímco data OPERY, na nichž bylo založeno první měření, jsou za dobu od začátku roku 2009 a sám detektor OPERA začal pracovat v roce 2006. Podle mého názoru však bez měření rychlosti neutrin s krátkými pulzy neměla OPERA se svými výsledky na veřejnost vůbec přicházet a s tímto druhým uspořádáním svazku neutrin již ICARUS nabíral data také. Jejich zpracování mu sice trvalo tři měsíce, zatímco OPEŘE jen pár dní, ale vedení italské Národní laboratoře Gran Sasso LNGS nemělo připustit, aby tak revoluční objev, jakým by bezpochyby nesvětelná rychlost neutrin byla, ohlásil jen jeden ze dvou experimentů, které měření provedly.

A navíc v situaci, kdy bylo jasné, že i ten druhý bude mít brzy výsledky podobného měření. Situace, kdy jeden experiment v LNGS oznámí zásadní objev a druhý ho pár dní nato popře, není pro vedení LNGS dobrým vysvědčením.

Na podobnou situaci se připravuje i CERN v případě hledání Higgsova bosonu. Tam má ovšem vedení strategii publikace výsledků dvou hlavních kolaborací (ATLAS a CMS) při hledání Higgsova bosonu plně pod kontrolou a je jasné, že CERN ohlásí jeho objev jedině tehdy, když budou obě kolaborace vidět stejný a zcela jasný příznak jeho existence.

Konec OPERY?

Momentálně čekáme na podrobnou analýzu problémů, slíbenou ve výše citovaném prohlášení OPERY. Pokud OPERA uzná, že ve své analýze udělala chybu, a po jejím odstranění budou výsledky konzistentní s výsledky ICARUSU, bude to pro ni velmi nepříjemná situace. Připomínám, že původním a prakticky jediným cílem tohoto experimentu je měření efektu oscilace mionového neutrina na neutrino tuonové, o němž se podrobněji zmiňuji v článku Kdo zpomalí neutrina?

Pokud OPERA uzná, že udělala chybu, a po jejím odstranění budou výsledky konzistentní s ICARUSEM, bude to pro ni nepříjemná situaceZa tři roky běhu experimentu s intenzivním svazkem neutrin z CERN byl zaznamenán jediný případ srážky neutrina, který má některé znaky této oscilace, ale ani ten není příliš přesvědčivý. Při tak malé četnosti registrace hledaných případů je otázka, zda bude experiment v současném uspořádání pokračovat. Měření rychlosti mionových neutrin by byl proto vítaný doplněk programu, ale samozřejmě jen tehdy, pokud by měření ukázalo, že se mionové neutrino pohybuje rychleji než světlo ve vakuu.

Ve srovnání s OPEROU je situace ICARUSU daleko lepší, neboť detektor je konstruován nejen pro detekci oscilací neutrin přilétajících z CERN, ale i pro detekci neutrin ze Slunce, atmosféry i supernov a je vhodný i pro hledání rozpadu protonu, o což se řada detektorů po celém světě snaží již přes 30 let.

Předběžný závěr: Zdá se tedy, že neutrina se chovají spořádaně podle Einsteinovy teorie relativity. Někdo může být smutný, že jsme konečně nenarazili na pořádnou záhadu, jiný je rád, že neutrina nevybočují svým chováním z řady ostatních základních stavebních kamenů hmoty. Já patřím spíš k těm druhým.

Počet příspěvků: 2, poslední 19.7.2012 09:15 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.