Je rychlost neutrin opravdu větší než
rychlost světla ve vakuu?
Vladimír Wagner
Minulý týden proběhla i na Oslovi zpráva, že experiment OPERA, který
detekuje v podzemní laboratoři Gran Sasso neutrina vyslaná
z laboratoře CERN, u nich zaznamenal rychlost větší než je rychlost světla
ve vakuu. Takové zjištění by mělo dalekosáhlé dopady na naše pochopení fyziky
nejen mikrosvěta. I z tohoto důvodu jsou autoři práce, která výsledky
prezentuje, velmi opatrní ve svých závěrech a vyzívají fyzikální veřejnost a hlavně
další podobná experimentální zařízení k ověřování jejich výsledku.
Podívejme se na to, jak bylo pozorování uskutečněno, jaké jsou zdroje
nepřesností při tomto měření a jaké dopady by mohlo jeho potvrzení mít na naše
fyzikální představy o světě.
Schéma experimentu CNGS (zdroj CERN).
Neutrina ze supernovy SN1987A
Než se zaměříme na měření rychlosti neutrin experimentem CNGS (CERN to Gran Sasso), podívejme se na neutrina vznikající v nesrovnatelně větších vzdálenostech od detektorů, které je zachytily. Dne 23. února 1987 zachytily neutrinové detektory na Zemi krátký neutrinový záblesk, který vznikl při výbuchu supernovy ve Velkém Magelanově oblaku. V průběhu výbuchu supernovy vznikají neutrina hlavně ve dvou fyzikálních procesech. Prvním je přeměna protonů a elektronů na neutrony, kdy vznikají elektronová neutrina. V tomto procesu vzniká neutronová jaderná hmota, která pak tvoří neutronovou hvězdu. Druhým je pak vyzařování velmi horké a husté jaderné hmoty. V tomto případě vznikají všechny typy neutrin a antineutrin. Supernova vyzáří zhruba 99 % vzniklé energie v podobě neutrin, kterých je tak obrovské množství. Ovšem jejich zachycení na Zemi není vůbec jednoduchou záležitostí. Je to dáno velkou vzdáleností supernov od Země a pochopitelně i extrémně malou účinností detekce neutrin. U té vzdálenosti supernov je to z hlediska nebezpečnosti jiných druhů záření, které se při výbuchu supernovy produkují, pro život na Zemi jen dobře (viz třeba zde). Právě proto se podařilo zatím zachytit pouze neutrina ze zmíněné supernovy SN1987A ve Velkém Magelanově oblaku. Příchod neutrin ze supernovy byl zachycen zhruba o tři hodiny dříve než světelný záblesk. To ovšem vůbec nemusí znamenat, že byla neutrina rychlejší. Při svém vzniku se fotony elektromagnetického záření prodírají velice těžce a relativně dlouho velmi hustou hmotou v nitru i vnějších částech supernovy, zatímco neutrina interagují s hmotou jen velmi málo. Výsledkem je, že záblesk neutrin je „okamžitý“ a trvá sekundy. Naopak světelný záblesk je dlouhý a začátek zjasňování následuje až řádově hodinu po neutrinovém záblesku. Přesnější odhad zpoždění začátku zjasňování supernovy za neutrinovým zábleskem závisí na modelu supernovy. Další zpoždění může být dáno tím, že o světelném zjasnění se dozvíme až po jeho zahlédnutí. Tedy, když se na něj zamíří dalekohled. Pochopitelně můžeme provést jistou extrapolaci zjasňování, ale její přesnost je omezená. Záblesk neutrin zachytí detektory ze všech směrů a ihned. Podrobnější informace o vzniku neutrin v supernovách a jejich detekci lze najít zde, zde a zde.
Co nám může detekce neutrin ze supernovy říci o jejich rychlosti? Vzdálenost k supernově byla v případě supernovy SN1987A zhruba 168 000 světelných let. Světelné zjasňování začalo nejpozději tři hodiny po příchodu neutrin. Všechna neutrina přišla během zhruba 12 sekund. Jednalo se o elektronová neutrina, vlastně elektronová antineutrina, která se v detektorech zachycovala s větší pravděpodobností. Jejich energie se pohybovala mezi 8 MeV až 40 MeV. Vzdálenost 168 000 světelných let znamená, že světlo od ní letí k Zemi zhruba 1,47 miliard hodin. Jak mohou mít neutrina nejvíce rozdílnou rychlost od rychlosti světla je možné získat podělením tříhodinového rozdílu mezi detekcí neutrin a zaznamenáním světelného záblesku a doby letu světla od supernovy k Zemi. Z tohoto pozorování lze tak vyvodit, že rychlost neutrin se od rychlosti světla neliší o více než dvě miliardtiny, tedy pouze o dvě deseti miliontiny procenta.
Nalevo je puls protonů vzniklý extrakcí z urychlovače SPS, je
vidět struktury s periodou 2 mikrosekundy. Napravo je roztažená malá část,
kde jsou vidět oscilace s periodou 5 ns vznikající v urychlovači SPS.
(Zdroj arXiv:1109.4897).
Měřením rychlosti neutrin experimentem CNGS
Hlavním úkolem experimentu CNGS je
detekce oscilací mionového neutrina na tauonové pomocí zachycení vzniklého
tauonového neutrina detektorovým systémem OPERA. K tomu účelu se
v laboratoři CERN ve Švýcarsku pomocí urychlovače vytváří velmi čistý
svazek mionových neutrin. Protony urychlené na rychlosti blízké rychlosti
světla se srážejí s jádry terče a produkuje se tak velké množství mezonů
pí. Ty nabité (v našem případě kladně nabité) se pomocí magnetického pole
namíří správným směrem a během letu dlouhým tunelem se pak rozpadají za vzniku kladného
mionu a mionového neutrina. V případě, že by se využily záporně nabité pí
mezony, vznikaly by v jejich rozpadech záporné miony a mionová
antineutrina. Zbývající nabité mezony a protony se absorbují na konci tunelu a
miony pak pohltí vrstva země, kterou neutrina bez problému prolétají. Velmi
čistý svazek mionových neutrin se posílá směrem k 732 km vzdálenému detektoru
OPERA v podzemní laboratoři Gran Sasso v Itálii. Tam dorazí zhruba za
2,43 ms. Příměs mionových antineutrin je okolo 2,1 % a elektronových neutrin a
antineutrin je menší než jedno procento. Střední hodnota energie neutrin je 17
GeV. Velmi důležité je co nejpřesnější zacílení svazku, jeho pološířka
v místě detektoru je zhruba
Porovnání rozložení příchodu dlouhodobě nabíraných detekovaných neutrin
(body s chybou) s tvarem intenzity protonů v svazku extrahovaném
z urychlovače (červená čára). Vlevo je první extrakce a vpravo druhá, mají
totiž jiné časové rozložení protonů. Nahoře je bez posunu neutrin a dole po
posunu o 1048,5 ns. Je vidět, že po posunu se obě rozložení svým tvarem
shodují. (Zdroj arXiv:1109.4897).
Celá délka
zařízení, které vytváří postupně pí mezony, miony a mionová neutrina je dlouhé
téměř
Neutrino, které způsobí interakci v detektoru OPERA, mohlo vzniknout z kteréhokoliv protonu letícího během deseti mikrosekundové extrakce z SPS. Neměří se tak doba letu jednoho případu, ale porovnává se dlouhodobá statistika z mnoha pulsů urychlovače. Tvar dlouhodobě získávaného rozložení příletu neutrin se porovnává s tvarem rozložení protonů v extrahovaného svazku posunutým o dobu letu světla k detektoru. Z tohoto porovnání se určuje příslušný časový posuv v příletu neutrin a světla. Celkově bylo pozorováno 16 111 mionových neutrin, pro jejichž detekci bylo nutné urychlit 1020 protonů.
Princip měření rychlosti neutrin s využitím systému GPS (zdroj
arXiv:1109.4897).
K tomu, aby se dala měřit
rychlost neutrin, je potřeba velice přesně měřit vzdálenost mezi urychlovačem v
laboratoří CERN a detektorem v Gran Sasso. To je umožněno jen díky využití
GPS systému. Jak tento systém přesně funguje, bylo na Oslovi podrobně
rozebráno už dříve. Aby se dala velice přesně určit vzdálenost mezi zmíněnými
dvěma místy i přesně synchronizovat čas v obou laboratořích, musí tam být
také atomové hodiny. Jen díky tomu lze kontinuálně určovat v konečné fázi vzdálenost
s přesností lepší než
Měření vzájemné polohy zdroje neutrin a detektoru OPERA. Je vidět pomalá změna vlivem pohybu kontinentálních desek. Zároveň také prudká změna vlivem zemětřesení v oblasti L´Aquila. (Zdroj arXiv:1109.4897).
Pochopitelně musí být velice přesně známá i poloha jednotlivých částí systému, který produkuje neutrina, a také každého detektoru v systému OPERA. Je třeba si uvědomit, že i světlo potřebuje k překonání vzdálenosti jednoho metru více než 3 ns. A v případě experimentu CNGS je potřeba měřit posuny v řádu desítky nanosekund. Další nutností je přesná znalost všech elektronických systémů, zpoždění signálů v nich a jejich velmi přesná časová synchronizace. Je třeba si uvědomit, že signál v kabelech se pohybuje ještě pomaleji než světlo.
I proto bylo potřeba dělat velké množství korekcí. Prvotní posun byl určen bez započtení úplně všech potřebných korekcí a vyšel, jak je vidět z obrázku s posuvem, 1048,5 ns. Po započtení všech zbývajících korekcí bylo potřeba odečíst 987,8 ns. Po odečtení těchto korekcí tak byla určena hodnota 60,7 ns, o kterou přiletěla neutrina dříve než by přiletělo světlo. Neurčitost této hodnoty byla stanovená na 6,9 ns pro statistickou část a 7,4 ns pro systematickou část. U části detekovaných neutrin (5489 případů) se podařilo určit i jejich energii. Tento soubor se rozdělil na dvě části. Jedna s neutriny s energií menší než 20 GeV a druhá s energií větší než 20 GeV. Pro první byla střední energie 13,9 GeV a pro druhou 42,9 GeV. V mezích nepřesností se neukázala žádná závislost posunu na energii.
Pokud je dané měření v pořádku, vznikne při době letu světla 2,43 ms předstih v příletu neutrina 60,7 ns. To znamená, že rychlost neutrina je o 2,48 sto tisícin větší než u světla, to znamená o 2,48 tisícin procenta. Pokud jsou statistické a systematické chyby odhadnuty správně, tak je výsledek dostatečně průkazný. Na druhé straně, jsou všechny možné korekce a opravy o řád i dva větší než konečná hodnota a analýza dat je velice komplikovaná. Tým, který na experimentu pracuje, má se zpracováním částicových experimentů takového druhu velké zkušenosti. Přesto se nedá vyloučit, že se někde v průběhu analýzy vyskytla chyba.
Detektor OPERA
Rozbor a možné dopady
Rozbor detekce neutrin ze supernovy omezil rozdíl mezi rychlostí neutrina a světla na hodnoty menší než dvě deseti miliontiny procenta, to znamená na deseti tisícinu hodnoty, která vychází analýzou experimentu CNGS. V případě, že by neutrina ze supernovy byla stejná jako neutrina detekovaná detektorem OPERA, nebylo by co řešit. Bylo by jasné, že se fyzikové z experimentu CNGS dopouštějí někde chyby. Ovšem v prvním případě jde o elektronová antineutrina a v druhém o mionová neutrina. Navíc se liší jejich energie zhruba tisíckrát. Takže je pořád ještě šance, že měření s využitím detektorového systému OPERA je v pořádku.
Bylo by to fantastické. Otvíralo by to bránu k úplně nové fyzice, která by překračovala hranice té, kterou známe. Jako příznivci sci-fi se mi líbí možnost překročení rychlosti světla i z hlediska možnosti rychlejšího cestování vesmírem. Jsem však k výsledku značně skeptický. Mionová neutrina jsou určitě těžší než elektronová. Víme to díky studiu oscilací neutrin (viz zde). Čekal bych tak možnost překračování rychlosti světla u neutrina elektronového. Velmi pochybuji, že by rychlost a chování neutrin a antineutrin byly diametrálně odlišné. Rozdíl v energiích o tři řády se může zdát velký, ale klidová energie neutrin je nejméně deset milionkrát menší než je kinetická energie neutrin, která k nám přiletěla ze supernovy. Proto si myslím, že i přes rozdíly u neutrin z experimentu CNGS a u supernovy pozorování spojené ze supernovou naznačuje, že u pozemského experimentu je něco špatně. Jen pro zajímavost ještě doplním, že pokud by se neutrina ze supernovy chovala přesně podle Einsteinovy teorie relativity, tak budou sice pořád pomalejší než světlo ve vakuu ale rozdíl bude díky jejich velmi malé hmotnosti určitě menší než 10-12 procenta.
Popření výsledku měření rychlosti neutrin experimentem CNGS může přijít i brzy. Je jasné, že teď bude velký počet fyziků kontrolovat analýzu autorů publikace a hledat v ní možné zádrhely. A je možné, že někdo na něco příjde. Účastníci experimentu CNGS k tomu přímo vyzívají. Případné potvrzení tohoto pozorování ovšem může přijít spíše až mnohem později. Jedna možnost je zkusit produkci mionových antineutrin pomocí záporných mezonů pí. Určitou možností by mohlo být i přesnější měření závislosti rychlosti na energii neutrin. Úprava produkce neutrin v laboratoři CERN a nabrání dostatečné statistiky zabere opět řádově roky. Stejně tak dlouho budou určitě trvat úpravy a nabírání potřebných dat i u jiných experimentů podobného typu v Japonsku a USA.
Test zařízení produkujícího svazek mezonů pí potřebný k produkci mionových neutrin (zdroj CERN
Je tak dost pravděpodobné, že ještě dost dlouho si budou moci teoretici hrát s modely, které by neutrina rychlejší než světlo vysvětlovaly. Takové představy, že neutrina jsou tachyony, už tady byla (viz zde). Stejně tak jsou již déle uvažovány i další možnosti spojené s existencí více dimenzí a příměsí velice specifických typů neutrin. A je jasné, že v současnosti nastává exploze zkoumání takových modelů (viz třeba zde).
Jak jsem již řekl, možnost částice, která se pohybuje rychlostí větší než světlo, i když zatím jen o kapánek, se mi moc líbí. Určitě by to byl moc zajímavý krok do nové exotické fyziky. V tomto případě jsem však z výše uvedených důvodů velice skeptický. Dovolím si však upozornit, že by to v žádném případě neznamenalo konec speciální teorie relativity. Ta by se stále používala pro určování pohybu částic v urychlovačích i těles s extrémně vysokými rychlostmi ve vesmíru. Jen by se ukázalo, že má limity, za kterými svět popsat nedokáže a kde je nutné použít nějakou obecnější novou teorii. Stejně jako se pohyb planet, kosmických těles i většiny těles na zemi stále počítá pomocí Newtonovy fyziky. V každém případě jde o velmi zajímavý výsledek, jehož ověřování v každém případě převede k výsledkům důležitým pro rozvoj fyzikálního poznání.
V Řeži 30. 9. 2011
