Сверхсветовые нейтрино: революция в физике или ошибка эксперимента? - 21 Октября 2011

Нейтрино обгоняют свет?

Физики, работающие в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований), обнаружили, что нейтрино перемещаются в пространстве со сверхсветовой скоростью. Сенсация нуждается в проверке, на которую потребуется немало времени.

Давно уже результаты научных экспериментов, да еще в такой "отвлеченной" области как физика элементарных частиц, не вызывали столь жарких споров и дискуссий, какие разгорелись в связи с данными, полученными группой ученых в ЦЕРНе - Европейском центре ядерных исследований в Женеве. Соответственно широк и спектр чувств, выказанных специалистами в связи с этой работой - от восторга и ликования до изумления и недоверия. Впрочем, явно превалирует все-таки растерянность.

Профессор Антонио ЭредитатоРечь идет об эксперименте OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Собственно говоря, сам по себе этот эксперимент задумывался с целью доказательства гипотезы о существовании так называемых нейтринных осцилляций, то есть способности нейтрино одной разновидности превращаться в нейтрино другой разновидности или в антинейтрино.

Дело в том, что в физике элементарных частиц сегодня принято различать нейтрино трех разновидностей (специалисты говорят о трех "поколениях"): электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Так вот, в прошлом году в ходе эксперимента OPERA была строго научно доказана способность мюонных нейтрино превращаться в тау-нейтрино. Конечно, этот - бесспорно важный - научный результат получил должное признание, но не вызвал сенсации, поскольку был вполне ожидаем: он подтвердил теоретические предсказания, вытекающие из принятой в физике элементарных частиц стандартной модели.

А вот данные, которые группа ученых, занятых в эксперименте OPERA, получила теперь, могут, если подтвердятся, потрясти основу основ современной физики - Специальную теорию относительности Эйнштейна. По словам активного участника эксперимента, профессора Бернского университета Антонио Эредитато (Antonio Ereditato), выполненные им и его коллегами измерения показали, что нейтрино высоких энергий развивают скорость, превышающую световую.

Нейтрино высоких энергий взаимодействуют с веществом

Вообще исследовать нейтрино очень непросто. Это если и не самая необычная, то уж, во всяком случае, самая трудно-наблюдаемая из всех стабильных частиц. В природе нейтрино образуются в огромном количестве - и при бета-распаде, и в процессе ядерного синтеза (например, на Солнце и других звездах, где водород превращается в гелий). Однако нейтрино малых энергий чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Еще недавно ученые считали даже, что нейтрино вообще не имеет массы покоя, однако новейшие исследования показали, что это все же не так.

Каждую секунду сквозь любого из нас пролетают триллионы космических нейтрино, но мы этого не замечаем. И земной шар космические нейтрино в большинстве случаев пронизывают, не задерживаясь, а потому их регистрация сопряжена с огромными трудностями. Однако чем выше энергия этих частиц, тем выше вероятность их взаимодействия с веществом. Поэтому нейтрино высоких энергий, получаемые в ускорителях, удается регистрировать с помощью детекторов относительно скромных размеров.

Сенсация с точностью плюс-минус 10 наносекунд

Именно такая схема и используется в эксперименте OPERA: пучок мюонных нейтрино преодолевает расстояние в 730,5 километров от протонного суперсинхротрона SPS в ЦЕРНе в Швейцарии до подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии и регистрируется там специальным детектором. Время нахождения частиц в пути - оно составляет около 2,5 миллисекунд - определяется по показаниям атомных часов на старте и на финише, синхронизированных с точностью до двух наносекунд; преодолеваемая частицами дистанция измерена с точностью до 20 сантиметров. За минувшие три года в детекторе было зарегистрировано 16 тысяч нейтринных событий.

Так вот, проведя их статистический анализ, физики к полному собственному изумлению обнаружили, что нейтрино прибывали к мишени в среднем на 61 наносекунду раньше расчетного времени - при погрешности плюс-минус 10 наносекунд. Это означает, что скорость нейтрино превышала скорость света. Пусть и очень незначительно, всего на 7,5 километра в секунду, то есть примерно на 2,5 тысячных доли процента, но все же достаточно, чтобы этот эффект нельзя было списать на погрешность измерений.

Правда, научный директор ЦЕРНа Серджо Бертолуччи (Sergio Bertolucci) уже заявил, что "ему не раз доводилось видеть эксперименты, когда расстояние измерялось с точностью до тысячных долей после запятой, вот только перед запятой потом обнаруживалась ошибка на целый метр". Но пока никаких ошибок ни в схеме эксперимента OPERA, ни в расчетах никому найти не удалось.

Теперь опыты, выполненные в ЦЕРНе, предстоит повторить другим группам ученых. Прежде всего, участникам практически идентичного эксперимента MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) в США, в штате Миннесота, на границе с Канадой. Тем более, что два года назад там уже получили сходный результат, но сочли его ошибкой, поскольку погрешность измерений была тогда слишком большой, то есть соизмеримой с обнаруженным эффектом.

Теперь там надо будет установить новое высокоточное оборудование, а это потребует времени. Кроме того, источник нейтрино - ускоритель в Национальной лаборатории имени Ферми близ Чикаго - будет в марте отключен на целый год с целью реконструкции. Да и само накопление экспериментальных данных - дело долгое. Так что результаты, полученные в ЦЕРНе, удастся подтвердить - или опровергнуть - лишь года через три. Есть, правда, еще и эксперимент Т2К (Tokai To Kamioka) в Японии, но эта установка выведена была из строя недавним землетрясением, и ее восстановление - дело нескольких лет. Так что, как ни крути, на ближайшие годы теория относительности Эйнштейна останется относительно незыблемой.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева