- Троицкий вариант — Наука - http://trv-science.ru -

Опера о скорости нейтрино

В сентябре коллаборация OPERA, ставящая эксперимент по осцилляциям нейтрино, опубликовала электронный препринт, который стал крупнейшей сенсацией года в научном мире, причем волны от сенсации пошли в широкие массы. Речь идет ни много ни мало о превышении скорости света нейтрино, летящими из ЦЕРНа в подземную лабораторию в Гран-Сассо близ Рима. ТрВ-Наука вкратце писал об этом в №88 за 2011 г. С тех пор вышла новая версия е-принта OPERA [1] и десятки е-принтов разных авторов, как с теоретическими интерпретациями, так и с поисками методических погрешностей, имитирующих полученный результат. Пора осветить историю более полно. Она этого заслуживает вне зависимости от того, чем закончится.

Мы часто наблюдаем сенсации, ставшие результатом научной или журналистской недобросовестности. Здесь не тот случай. С одной стороны, делается утверждение, противоречащее не только установившейся картине мира, но и ряду известных фактов. С другой стороны, авторы эксперимента — вполне квалифицированные люди, анализ данных и возможных методических погрешностей делается тщательно и выглядит добросовестным. И пока никто не может указать на явную ошибку. Столь драматичной ситуации в современной физике, пожалуй, не было.

Для начала скажем пару слов о самом эксперименте и о том, что именно в нем обнаружено.

Чудо на 730-м километре

Для получения пучка нейтрино используется ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), который был построен в 70-х, а сейчас служит предускорителем для Большого адронного коллайдера. Схема традиционна: протоны (400 ГэВ) падают на мишень, в которой рождаются пионы и каоны. Вторичные частицы фокусируются и направляются в вакуумный распадный канал километровой длины, где пионы с каонами дают мюонные нейтрино и мюоны. Канал направлен на подземную лабораторию в Гран-Сассо, которая находится в 730 км (соответственно, канал идет с небольшим уклоном вниз). В Гран-Сассо нейтрино регистрирует детектор массой 625 тонн — «слоеный пирог» из свинцовых пластин, сцинтиллятора и фотоэмульсии. С 2009 г. в эксперименте зарегистрировано более 15 тысяч нейтрино.

Скорость отдельно взятого нейтрино в такой постановке эксперимента определить невозможно: неизвестно, когда оно вылетело. Известны лишь моменты детектирования. Однако сброс протонов неравномерен по времени: он производится импульсами по 10,5 микросекунды, причем каждый импульс имеет повторяющуюся внутреннюю временную структуру. Можно посмотреть, с какой задержкой нейтрино лучше всего статистически повторяют временной профиль сброса протонов. Для этого вычисляется функция корреляции в зависимости от задержки. Задержка, дающая пиковую корреляцию, сравнивается с теоретической: время пролета света плюс всевозможные задержки сигналов в кабелях, задержки электроники и т.п. Расстояние с помощью GPS измеряется с точностью 20 сантиметров, время синхронизируется с помощью атомных часов, все задержки электрических сигналов тщательно измеряются. Погрешности не превышают нескольких наносекунд.

Результат: задержка, дающая лучшую корреляцию, меньше расчетной световой примерно на 60 наносекунд. Это 18 метров светового пути. Относительное опережение света составляет 2,5*10-5, а это огромная величина. Статистическая значимость результата — 6 сигма, что весьма серьезно.

Кстати, слабое указание на сверхсветовую скорость нейтрино уже было обнаружено в эксперименте MINOS (США, Fermilab). Но там статистическая значимость была меньше 2 сигма — от такого «указания» можно справедливо отмахнуться. От результата OPERA отмахнуться уже нельзя.

Статья была опубликована в архиве е-принтов 22 сентября. Чтобы исключить возможные «инсинуации» по поводу проблем, связанных с большой длительностью сброса протонов, OPERA успела модифицировать эксперимент. Сброс на сей раз производился в виде коротких импульсов длительностью 3 наносекунды, разделенных 524-наносекундными интервалами. Цена за такую модификацию — 60-кратное снижение интенсивности, поэтому было зарегистрировано всего 34 нейтрино, из которых для анализа отобрано 20. Все 20 опережают свет не меньше чем на 40 наносекунд! Среднее опережение — 62 наносекунды, статистическая ошибка — 3,7 нс. Таким образом, эти 20 нейтрино выглядят гораздо убедительней предыдущих 15 тысяч. Версия статьи с этим результатом выложена 23 ноября [1]. Движение нейтрино со сверхсветовой скоростью настолько противоречит современным научным фактам и принципам, что заслуживает эпитета «чудо», которого, как известно, не бывает.

Ни в какие ворота!

Чему именно противоречит сверхсветовая скорость нейтрино? Начнем с фактов.

Распределение двадцати зарегистрированных нейтрино по времени опережения расчетного светового сигнала

Во-первых, результат противоречит великолепному эксперименту, поставленному Природой: взрыву сверхновой 1987А. Тогда нейтрино от взрыва, пройдя 168 тысяч световых лет, попали в земные детекторы в интервале нескольких секунд (24 штуки во всех детекторах). Это значит, что их скорость отличалась от скорости света не более чем на 10-12, иначе, времена их прихода расползлись бы на более широкий интервал — ведь пришедшие нейтрино имели разную энергию (10-20 МэВ). Это были другие нейтрино — электронные, но известно, что нейтрино на лету меняют тип (так называемые осцилляции), поэтому значительную часть пути они прошли в виде мюонных нейтрино, тех самых, что летят из ЦЕРНа в Гран-Сассо. Энергия нейтрино в этих двух экспериментах различается в тысячу раз. Однако принцип относительности (Лоренц-инвариантность) требует, чтобы нейтрино меньшей энергии двигались еще быстрее, в случае нейтрино от сверхновой — уже в разы быстрее света. Так что разница в энергии только усугубляет противоречие.

Следующая нестыковка: сверхсветовые нейтрино, двигаясь в толще Земли, должны вызывать хорошо вычисляемый процесс: когерентное рождение электрон-позитронных пар, по сути подобное черенковскому излучению. Этот процесс приводит к потерям энергии, так что все нейтрино, долетевшие до Гран-Сассо, должны иметь энергию ниже 12,5 ГэВ. Этого не наблюдается: средняя энергия детектируемых нейтрино — 17 ГэВ.

Есть и другие фактические нестыковки, но главная проблема куда глубже: частицы, движущиеся быстрее света, нарушают принцип причинности, гласящий, что причина не может меняться местами со следствием, что будущее не может влиять на прошлое, что свершившаяся цепь событий однозначна.

В теории давно обсуждаются тахионы — частицы с отрицательным квадратом массы, которые в свободном виде должны двигаться быстрее света. Но у тахионов всегда был полулегальный статус: они использовались для конструирования полей, но уважающие себя теоретики всегда заботились о том, чтобы запретить тахионам передачу сигнала быстрее света. Но нейтрино передает сигнал! Почему принцип причинности так важен? В «разнузданном» потоке теоретических рассуждений, хлынувшем после 22 сентября, ему не уделяется должного уважения. Полезно проиллюстрировать цену, которую придется заплатить за сверхсветовое нейтрино.

Релятивистская дуэль

Мысленный эксперимент был и остается одним из замечательных и самых дешевых методов исследования. Представим себе двух существ с непонятной нам психикой, решивших устроить космическую дуэль. У каждого — ускоритель, формирующий пучок нейтрино, и каждый сидит на бомбе, взрываемой по сигналу от детектора нейтрино, находящегося при нем же. У каждого кнопка, включающая ускоритель, направленный на партнера. Расстояние между ними в световых секундах намного превышает время реакции существ. Секундант находится посередине между ними и дает отмашку в виде светового сигнала, посылаемого в обе стороны. Получив сигнал, дуэлянты практически одновременно нажимают на «пуск», нейтрино летят, детектируются, оба практически одновременно взрываются — всё ясно и честно.

Допустим, что кроме секунданта есть два наблюдателя, летящих с околосветовой скоростью в противоположных направлениях, один — со стороны дуэлянта А к дуэлянту Б— и наоборот. С точки зрения первого наблюдателя, Б получил сигнал секунданта раньше и выстрелил раньше. Причем это не оптическая иллюзия, а фундаментальное свойство теории относительности: события, одновременные в одной системе отсчета, не являются одновременными в другой.

Теперь важный момент! Если никакой сигнал не может передаваться быстрее света, то опережение Б, которое видит первый наблюдатель, не влияет на исход. На научном языке четырехмерный интервал между выстрелами является пространственноподобным. Это означает, что выстрелы причинно не связаны: ни один из них никак не может повлиять на совершение второго, из какой системы отсчета ни наблюдай за поединком — оба дуэлянта гибнут.

Теперь допустим, что нейтрино движутся быстрее света (а если их энергия невелика — намного быстрее). С точки зрения секунданта, гибнут оба, только раньше, чем если бы нейтрино летело со скоростью света. С точки зрения первого наблюдателя, дуэлянт Б, получив сигнал первым, испускает нейтрино, обгоняющие световой сигнал от секунданта и подрывающие дуэлянта А раньше, чем тот получил отмашку и нажал на кнопку. Исход: Б жив, А погиб. С точки зрения второго наблюдателя, жив А, Б убит. Это опять не оптическая иллюзия: если вне дуэли причинность продолжает сохраняться, наблюдатели могут всё заснять, остановиться, вернуться каждый к своему выжившему и пожать ему руку. Но секунданту некому будет пожать руку — оба погибли. История «расстроится». А что будет, если каждый из наблюдателей возьмет за руку своего выжившего и отведет его к секунданту, чтобы вместе отметить благополучный исход?. .

Итак, допустив скорость нейтрино выше скорости света, мы получили внутренне противоречивую картину мира. Вероятно, здесь можно как-то выкручиваться, например корежить преобразования Лоренца, а за ними и многое другое, — так что фундамент физики в итоге обернется гнилым болотом.

И выкрики в зале

Авторы сенсационной статьи завершают ее аккуратной фразой: «Несмотря на большую статистическую значимость... и надежность анализа, потенциальное большое значение результата заставляет нас продолжить эксперимент для расследования возможных, пока не известных систематических эффектов, способных объяснить наблюдаемую аномалию. Мы сознательно воздерживаемся от физической интерпретации результатов».

А широкая научная публика воздержаться не в состоянии. С 22 сентября опубликовано более сотни е-принтов, интерпретирующих результат. В шуме этого потока различимы эмоциональные выкрики вроде:

— У нейтрино два массовых состояния! От сверхновой прилетели не те состояния, что в Гран-Сассо из ЦЕРНа.

— Они измеряют фазовую скорость нейтрино, а не настоящую!

— Нейтрино летят правильно! Это свет на Земле замедлен из-за концентрации темной материи.

— Преобразования Лоренца деформированы!

— Нейтрино — тахионный хамелеон!

— Всё равно они в своем эксперименте не могут передать ни бита информации быстрее света!

— Финслерово пространство всё ставит на места!

В большей части статей авторы пытаются примирить противоречия результата OPERA с фактами и принципами. Теоретические лазейки, увертки, подпорки и подвязки. Иногда — очевидная ерунда, иногда — нет. Всё вместе производит довольно анекдотическое впечатление. Как будто людьми движет гипертрофированная потребность скорей высказаться при, напротив, атрофированном страхе сказать глупость.

Более ценная и сравнительно небольшая часть статей находит новые противоречия между сверхсветовыми нейтрино и другими известными фактами. Наиболее сильная статья из этой серии — Коэна и Глэшоу (Andrew G. Cohen, Sheldon L. Glashow) [2], в которой они демонстрируют вышеупомянутый эффект торможения сверхсветовых нейтрино через рождение пар и показывают, что из-за этого эффекта сверхсветовые нейтрино были бы прекрасно видны в больших детекторах типа IceCube, чего не наблюдается.

Также относительно небольшая часть статей посвящена методическим проблемам, возможно, приводящим к имитации сверхсветовой скорости. Ряд предположений, таких как проблемы статистики, термическое расширение мишени, асимметрия переднего и заднего фронтов протонного импульса, был отметен в новой постановке эксперимента. Ряд остался. Самые серьезные претензии связаны с тем, что эксперимент имеет постановку типа «one way» — измеряется время пути в один конец, и возникают проблемы с синхронизацией часов, находящихся в разных местах, а также с правильным учетом всех задержек. Наиболее доскональная статья с анализом возможных ошибок синхронизации (эффекты ОТО в работе GPS, эффект вращения Земли и т.п.) опубликована Карло Конталди (Carlo R. Contaldi) [3]. Выводы этой статьи оспариваются [4], на чьей стороне правда, мы пока не знаем: задача ТрВ-Наука — следить за дискуссией, а не устраивать собственное разбирательство. Многие согласны в том, что гораздо убедительней был бы эксперимент типа «round trip», когда в одной точке измеряется время пути в оба конца.

Еще не финал

Карл Саган сформулировал полезный принцип:«Чрезвычайные утверждения требуют чрезвычайных доказательств». Утверждение о сверхсветовой скорости нейтрино— чрезвычайное (о чем в основном и шла речь в данной заметке). Доказательство, пока, весьма заурядное и уж точно не экстраординарное. Новые эксперименты — дело не быстрое. Причем нужны новые эксперименты в постановке «round trip», так как сходные эксперименты могут иметь сходные источники ошибок. А сейчас правильная позиция: «ищите ошибку». А еще лучше: «ищем ошибку всем миром», поскольку бывает, что труднее всего найти глупую ошибку, лежащую на видном месте, — ее видит лишь свежий глаз. Позиция «идите к черту со своим заведомо неправильным результатом» — деструктивна. В науке, как и в криминалистике, не должно оставаться «висяков».

Борис Штерн

1. http://arxiv.org/abs/1109.4897

2. http://arxiv.org/abs/1109.6562

3. http://arxiv.org/abs/1109.6160

4. http://arxiv.org/abs/1110.2909

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи