Nadsvětelné rychlosti neutrin přežily první zkoušku

Vladimír Wagner

V předchozích dvou týdnech provedl experiment CNGS (CERN to Gran Sasso) nové testy, které mají analyzovat možné zdroje chyb při měření rychlosti neutrin. Ta se určuje tak, že mionová neutrina produkovaná pomocí urychlovačů v laboratoři CERN jsou zachycována v detektoru OPERA umístěném v 732 km vzdálené podzemní laboratoři Gran Sasso. Podrobný popis experimentu a výsledky jeho předchozího měření rychlosti neutrin byly na Oslovi už uveřejněny. Tam je také přehled možných zádrhelů, které mohou experiment provázet. Vzhledem k významným dopadům na další rozvoj fyziky, které by v případě své správnosti potvrzení nadsvětelné rychlosti neutrin mělo, je velice důležité všechny možné zdroje nepřesností a pochyb analyzovat a případně vyloučit.

Problém při využití dlouhého pulzu

Jedním z nich je dlouhý čas pulzu protonového svazku, který produkuje v konečném důsledku mionová neutrina. Ten byl dlouhý deset a půl mikrosekundy, tedy 10 500 ns. Připomeňme, že pozorovaný rozdíl mezi rychlostí světla a neutrina byl pouze okolo 60 ns. Bohužel, i když se při každém pulzu produkuje velký počet neutrin, je velké štěstí, když se z nich alespoň jedno zachytí v detektoru OPERA. Vždyť za dva roky činnosti detektoru se sice využilo k produkci neutrin 10²⁰ protonů, ale pouze 16 111 mionových neutrin se podařilo chytit. Neví se tak, jestli neutrino, které OPERA zachytila, pochází ze začátku pulzu, ze středu nebo z jeho úplného konce. U konkrétního neutrina tak nelze dobu letu určit a nejistota je zmíněných 10500 ns délky pulzu. Proto se při měření rychlosti neutrin musela nabírat data dostatečně dlouho, aby zachycená neutrina vykreslila dostatečně přesně celý tvar neutrinového pulzu. Ten se pak srovnal s tvarem pulzu protonů, který neutrina produkuje. Posun těchto dvou pulzů umožnil určit dobu letu neutrin z laboratoře CERN do laboratoře Gran Sasso. Přesnost určení je dána statistikou počtu zachycených neutrin a představu o ní nám můžou dát obrázky, na kterých je srovnání detailu přední a zadní hrany protonového pulzu, který neutrina produkuje a pulzu, který vytváří zachycená neutrina.

Srovnání hran pulzu protonu (červená čára) z hranou pulzu neutrin (body s vyznačenou statistickou chybou) posunutou tak, aby na sobě pulzy seděly. Jde o dvě různé extrakce protonů, které probíhají při jednom urychlování. V předchozím článku na Oslovi bylo srovnání celých pulzů (Zdroj: arXiv:1109.4897).

Proč nezkusit krátký pulz?

Využívání dlouhých pulzů nebylo dáno potřebami měření rychlosti neutrin, ale hlavním cílem experimentu CNGS, kterým je přímé potvrzení oscilací mionového neutrina na tauonové (viz zde). Zachycení tauonového neutrina vzniklého oscilací mionového je extrémně náročné. Zatím se podařilo zachytit pouze jedno a za předpokládanou více než desetiletou činnost experimentu se jich má zachytit okolo šesti. Je tak možné s jistou nadsázkou říci, že si fyzici na tomto experimentu krátili měřením rychlosti neutrin dlouhé nudné čekání na tauonová neutrina. A zadělali tak fyzice na opravdu zajímavý problém a sobě třeba na Nobelovu cenu.

A teď zase vážněji. Je jasné, že je možné pulz protonů dostatečně zkrátit a udělat mezi nimi dlouhou mezeru. Tím u každého neutrin víme přesný čas, kdy vyletělo, a pro měření rychlosti neutrin jich pak stačí zachytit pár. Měříme totiž rychlost každého zachyceného neutrina. Proto začali v laboratoři CERN pracovat v režimu, kdy pulz měl zhruba délku 3 ns a mezi dvěma pulzy byla mezera 524 ns. Na terč pak v takovém režimu sice v pulzu dopadá daleko méně protonů (zhruba 10¹²), celkově tak po dobu experimentu okolo 10¹⁶, ale to postačuje. Celková statistika je tak šedesátkrát menší než při provozu s dlouhým pulzem. Zhruba dva týdny práce v tomto režimu umožnilo detekovat a změřit rychlost dvaceti neutrin.

Tvar protonového pulzu, který produkuje mezony pí, v jejichž rozpadu vznikají neutrina (zdroj Science 2.0).

I když je v jejich době letu jistý rozptyl, přesto ukazují shodu s výsledky získanými dříve. Rozdíl mezi dobou letu jednotlivých neutrin je zhruba 40 ns. To může sice ukazovat na problémy v časování, ale jejich střední hodnota zhruba odpovídá tomu, co se zjistilo při analýze předchozích měření. V tomto směru nový experiment plně potvrdil předchozí zjištění o nadsvětelné rychlosti neutrin.

Posun času příletu oproti příletu světelného signálu u dvaceti zachycených neutrin. Modrou značkou je definován výsledek původního měření. (Zdroj Science 2.0).

Star Trek na obzoru?

Je tedy možné otevřít šampaňské a oslavit prolomení hranice rychlosti světla? Nejen podle mého názoru by to nyní bylo ještě hodně předčasné. Tímto experimentem se vyřešil pouze jeden problém, a to nejistota okolo délky pulzu. Všechny kalibrace a způsob časování byl použit stejný jako v předchozím měření. Pokud se problém či chyba nachází tam, tak zůstaly i nyní. V každém případě je tak ještě důležitější potvrzení či vyvrácení výsledku z CNGS a OPERY jiným nezávislým experimentem.

Jednou z možností je nová analýza dat získaných experimentem MINOS, který zachycoval neutrin z laboratoře Fermilab. V tomto případě byla střední energie neutrin zhruba 3 GeV, tedy několikanásobně menší, což však není velký rozdíl. Původní analýza také určila rychlost neutrin o 5,1 tisícin procenta větší než rychlost světla. Ovšem s chybou 2,9 tisícin procenta. Protože jde o tzv. jednu standardní odchylku, je výsledek v podstatě shodný i s tvrzením, že se rychlost neutrina v rámci nejistoty měření neliší od rychlosti světla. Fyzici z experimentu MINOS doufají, že se jim pečlivější analýzou podaří nejistotu měření zmenšit. Pak bude záležet na tom, jestli hodnota rozdílu rychlosti neutrina oproti rychlosti světla zůstane stejná nebo se přiblíží nule. Experiment MINOS už nemůže nabrat nová data. To by však v budoucnu mohly detektory v japonské podzemní observatoři Kamioka, které zachycují neutrina produkovaná urychlovačem J-Parc (Tokai) v experimentu T2K (Tokai to Kamioka). Problém je, že se urychlovač nachází v oblasti Japonska zasažené v březnu zemětřesením. Rekonstrukce je v chodu, ale je jasné, že Japonsko má řadu dalších problémů a nemůže nyní do vědeckých experimentů dát dostatek prostředků. Ovšem výsledky z OPERY by mohly přitáhnout pomoc a investice i ze zahraničí.

Pokud mohu vyslovit svůj osobní názor, tak stále zůstávám značně skeptický. Mým hlavním důvodem je pořád rozpor s detekcí neutrin ze supernovy, který jsem popsal v minulém článku. Časování a další aspekty měření jsou na hranici technických možností a opravdu potřebují co nejpečlivější prověření. Ovšem fyzici v laboratořích CERN a Gran Sasso udělali obrovský kus práce. Další experimenty a testy budou provádět zase příští rok. V každém případě, ať už nakonec vše dopadne jakkoliv, jde o velmi zajímavou událost i fyziku, která posunuje naše poznání.

V Řeži 18. 11. 2011

---