Experiment ICARUS a nadsvětelné rychlosti neutrin

Vylučuje opravdu experiment ICARUS výsledky experimentu OPERA?

Vladimír Wagner

V současnosti jsme svědky nejen v populárně vědním tisku smršti protichůdný tvrzení. Jeden den byl výsledek experimentu CNGS s detektorem OPERA zjišťující nadsvětelné rychlosti neutrina potvrzen a za pár dnů zase vyvrácen. V pátek si čtenář přečetl, že nová měření s kratším pulzem experiment potvrdila a dnes je v téměř všech vědních rubrikách deníků zpráva, že experiment ICARUS nadsvětelné rychlosti neutrin vyloučil. Podobné zvraty lze očekávat i v budoucnu a čtenář, kterého téma zajímá, z toho může být docela zmaten. Takže se pokusme na danou problematiku podívat střízlivěji.

Speciální teorie relativity

Než se pustíme do dalšího vysvětlování, připomeňme si z čeho vychází speciální teorie relativity. V jejich základech stojí dva základní postuláty. První je, že všechny souřadné soustavy pohybující se rovnoměrně přímočaře (označují se jako inerciální) jsou rovnocenné a pozorovatelé s nimi spojení budou pozorovat stejné fyzikální zákonitosti a popíší je stejnými teoriemi a vztahy. Druhý postulát je, že rychlost světla (myslí se rychlost světla ve vakuu) je specifická a je ve všech zmíněných souřadných soustavách stejná. Tento postulát vede k tomu, že transformace fyzikálních veličin z jedné souřadné soustavy do druhé musí probíhat pomocí Lorentzovy transformace. Tato transformace už ležela v základech Maxwellovy teorie elektromagnetického pole, ovšem v Newtonově mechanice se používala Galileiho transformace. Je to pochopitelné. Rozdíly mezi nimi se projevují až při rychlostech blízkých rychlosti světla. A zatímco Maxwellova teorie musela popsat i samotné světlo, tak v mechanice se lidé do té doby setkávaly jen s objekty pohybujícími se nesrovnatelně menšími rychlostmi.

Speciální teorii relativity a tedy i zmíněné dva postuláty, na kterých je založena, nelze dodržet v případě, že rychlost objektu bude větší než rychlost světla. A dostáváme tak třeba i často zmiňované narušení kauzality a další zádrhele, se kterými se jen těžko vypořádáváme. Pokud jsou podmínky ležící v základě speciální teorie relativity splněny, mluvíme o existenci Lorentzovy symetrie. Pokud splněny nejsou, tak dochází k jejímu narušení.

Až doposud všechny zákonitosti, které okolo sebe pozorujeme, splňovaly Lorentzovu symetrii. A ta leží v základech všech teorií, které jsou součástí standardního modelu hmoty a interakcí. Speciální teorie relativity s extrémní přesností popisuje pohyb částic jak na urychlovačích tak i jinde. Do současnosti nebyla nalezena žádná evidence, že by se Lorentzova symetrie narušovala a speciální teorie neplatila. I to je důvod, proč mezi fyziky vzbuzuje experiment CNGS s detektorem OPERA tolik pozornosti a spíše skepsi. Pokud by se potvrdil, znamenalo by to, že se Lorentzova symetrie se narušuje a speciální teorie relativity nemusí vždy platit.

Instalace komor experimentu ICARUS (Zdroj ICARUS).

Důsledky narušení Lorentzovy symetrie

To, že v přírodě nebylo zatím pozorováno nic, co by narušovalo Lorentzovu symetrii a odporovalo speciální teorii relativity, neznamená, že by se o takovou možnost teoretičtí fyzici nezajímaly. Mezi první takové teorie patří i „meta-relativita“ Olexa-Myron Bilaniuka a E. C. George Sudarshana z šedesátých let, která zavádí tachyony s imaginární hmotností, jejichž vztah mezi celkovou energií a rychlostí je popsatelný klasickým relativistickým vztahem. O této teorii nedávno na Oslovi vyšel článek Petra Kluvánka. Jen je třeba připomenout, že tato teorie nemůže popsat výsledky popsané v experimentu CNGS. Hmotnost tachyonu by sice byla imaginární, ale velikost by byla stejná jako u normální částice. Tedy u neutrina extrémně malá, menší než 2 eV. Neutrina by tak byla sice nadsvětelná, ale extrémně blízko rychlosti světla. Rozdíl od rychlosti světla by byl o mnoho řádů menší než pozoruje OPERA.

Chladící zařízení pro tekutý argon (zdroj ICARUS).

Nejen na internetu lze nalézt řadu publikací, které popisují různé aspekty různých teorií, které narušují Lorentzovu symetrii a popisuji pohyb částic s nadsvětelnými rychlostmi. V některých z nich jsou předpovídány i jevy, které jsou při platnosti Lorentzovy symetrie zakázány a způsobují, že takové částice budou vyzařovat různé typy záření. Jedním z nich je záření, které lze v jistém smyslu označit za Čerenkovovo záření ve vakuu. Připomeňme, že „klasické“ Čerenkovovo záření vyzařují pouze nabité částice, které se v prostředí pohybují rychlostí větší než je rychlost světla v tomto prostředí. V případě nadsvětelné částice, jejíž rychlost je větší než rychlost světla ve vakuu, mohou toto „neklasické“ Čerenkovovo záření vyzařovat i neutrální částice a tedy i neutrina. Velmi zjednodušeně řečeno je to dáno jejich magnetickými vlastnostmi vznikajícími díky kvantové elektrodynamice. Tento jev však není nejspíše dostatečný k nějakým význačným ztrátám energie. Ostatně i u klasického Čerenkovova jevu jsou ztráty energie nabité částice, která je vyzařuje, velmi malé. Existuje však ještě jeden jev, který už vede k velmi znatelným ztrátám energie. Ten je založen na elektroslabé interakci a způsobuje, že částice pohybující se rychleji než se mohou pohybovat elektrony, produkuje polní částice, i virtuální, elektroslabé interakce, tedy fotony a Z0 bosony. Bosony Z0 se pak rozpadají na páry částice a antičástice, nejčastěji neutrino a antineutrino či elektronu a pozitronu. A ty odnášejí významnou část energie. Elektrony se ani při extrémní kinetické energii nadsvětelnými rychlostmi nepohybují, což máme potvrzeno v řadě experimentů. Takže pro každou nadsvětelnou částici je podmínka pro toto záření splněna.

A právě ztráty tímto zářením propočítaly Sheldon Glashow a Sidney Coleman z ohledem na pozorování neutrin v experimentu OPERA (zde). A ukázaly, že v jejich teorii, která předpokládá narušení Lorentzovy symetrie, vychází pro neutrina produkovaná v laboratoři CERN velice rychle ke ztrátě téměř 3/4 energie v jediném aktu produkce částic zmíněným zářením. To znamená, že do Gran Sasso by v případě tak nadsvětelných rychlostí a vysokých původních energií musela dorazit neutrina s velmi sníženými energiemi.

Případ detekce neutrina v detektoru ICARUS (Zdroj ICARUS).

Prokázal ICARUS něco nového?

A právě nepozorováním snížení energie neutrin přilétajících z Gran Sasso dovozuje experiment ICAROS nemožnost nadsvětelných rychlostí neutrin. To je pak obsahem dnešní nové mediální vlny zpráv o nadsvětelných neutrinech. Experiment ICARUS je experiment ve stejné podzemní laboratoři, jako OPERA a stejně jako OPERA má detekovat neutrina posílaná z laboratoře CERN. Využívá detektor založený na dvou časově projekčních komorách vyplněných tekutým argonem. Ty umožňují díky velmi přesnému zobrazení dráhy nabitých částic vzniklých v interakcích neutrina s jádry určit přesnou energii a směr příletu původního neutrina. Takže pro fyziky, kteří na něm pracují, nebylo problém i s daleko menší statistiky zachycených neutrin určit jejich energetické spektrum a srovnat je s tím, které se předpovídá v případě, že neutrina nemají nadsvětelné rychlosti. A zjistily, že jejich spektrum je přesně takové a žádné ztráty energie vzniklé narušením Lorentzovy symetrie nepozorují.

Srovnání energetického spektra neutrin pozorované experimentem ICARUS (černé body s modrými chybami) a vypočtené pro podsvětelná neutrina (červený histogram) (Zdroj ICARUS)

Jistě jde o zajímavý výsledek, ale v principu nepřináší nic nového. V experimentu OPERA se také určovala energie neutrin, i když ne tak přesně jako u experimentu ICARUS. V dřívějších článcích na Oslovi (zde a zde), kde se popisuje podrobně měření rychlosti neutrina experimentem OPERA, bylo zmíněno, že se testovala i závislost rychlosti neutrin na jejich energii. Rozdělením do dvou energetických skupin a určením rychlosti pro každou z nich. Energie neutrin jsou i u OPERY tak velké, že vylučují existenci vyzařování popsaného Glashowem a Colemanem. Ale k potvrzení toho, že neutrina s vysokou energií nevyzařují toto záření se nemuselo čekat na výsledky experimentů OPERA či ICARUS. Již poměrně dlouhou dobu pracují experimenty SuperKamiokande a IceCube. Různé detektory neutrin, včetně detektoru SuperKamiokande a IceCube byly už na Oslovi popisovány (zde a zde). Oba tyto detektory detekují také neutrina s vysokou a velmi vysokou energií vznikající rozpadem částic produkovaných interakcemi částic kosmického záření s velmi vysokou energií s jádry atomů atmosféry. Superkamiokande detekuje neutrina s energií od 1 GeV do 1000 GeV a IceCube pak neutrina s energií až po 16000 GeV. Přičemž tato neutrina musela proletět dráhu dlouhou stovky až tisíce kilometrů (prolétají skrz celý nebo část průměru Země). I u nich by se v případě existence popsaného záření u částice porušující Lorentzovu symetrii mělo projevit dramatickou ztrátou energie. Ta se však nepozoruje.

Je třeba zdůraznit, že máme silnou evidenci, že v případě reálnosti nadsvětelné rychlosti neutrin zachycených detektorem OPERA, musí jít o vlastnost závislou na energii. Už v dřívějších článcích jsem zdůrazňoval, že nejsilnějším argumentem pro chybu měření nadsvětelných rychlostí neutrin je zachycení neutrin ze supernovy 1987A. Jejich rychlost se od rychlosti světla lišila o tři řády méně než pozoruje OPERA. U těchto dvou případů jen pár rozdílů. U supernovy šlo o elektronová antineutrina s energií zhruba o tři řády menší než u mionových neutrin produkovaných v CERNu. Ovšem, pokud dochází u neutrin k oscilacím, nemohou se rychlosti různých typů neutrin dramaticky lišit, takže podstatný rozdíl, který způsobil, že neutrina ze supernovy měla o tři řády menší rozdíl od rychlosti světla, musí spočívat v jejich rozdílné energii.

I detektor IceCube prokázal, že neutrina nevyzařují hypotetické záření nadsvětelné částice porušující Lorentzovu symetrii. Vizualizace jedné detekce vysokoenergetického neutrina. (zdroj IceCube).

Poučení na závěr

Je tedy jasné, že o neexistenci záření produkovaného v případě narušení Lorentzovy symetrie částicí s nadsvětelnou rychlostí bylo možné rozhodnout na základě dat z detektoru OPERA i dalších dřívějších měření. Aniž by bylo potřeba čekat na nová data detektoru ICARUS. Ten je prostě jen potvrdil. Zároveň také nemohou ani všechna tato data dohromady vyloučit správnost měření detektoru OPERA úplně. Problém je, že záření je předpovídáno jednou z teorií obsahujících narušení Lorentzovy symetrie. Jsou však i teorie, které se snaží vysvětlit měření nadsvětelné rychlosti neutrin bez narušení Lorentzovy symetrie. Jak bylo popsáno dříve, je narušení této symetrie a speciální teorie relativity obrovský zásah do fyzikálního popisu světa. Je pak potřeba jej vyřešit budováním úplně nové teorie. Teoretici nad takovými teoriemi uvažují, ovšem ta správná může být odlišná od všeho, co se zatím objevilo v publikacích. Pochopitelně se mohou najít teorie, které nebudou obsahovat zmiňované záření nadsvětelných částic. Může být nekonečně mnoho popisů. O tom, který je správný pro náš svět a pravdivě popisuje jeho fyziku, rozhoduje pouze experiment. Takže bych doporučil chladnou hlavu. Příliš si nevšímat mediálního vlnění a čekat na co nejpřesnější kontrolu stávajících měření a hlavně na experimenty nové, které buď nadsvětelnou rychlost neutrin potvrdí nebo vyvrátí.

V Řeži 22. 11. 2011