Neutrinos bewegen sich schneller als Lichtgeschwindigkeit! Superluminale Neutrinos: Hypothesen und Theorien zu mysteriösen Teilchen. Beschreibung, Eigenschaften, Geschwindigkeit und Masse Entlarven ein sensationelles Experiment

MOSKAU, 8. Juni - RIA Nowosti. Wissenschaftler des Neutrinoprojekts OPERA haben nach einer Reihe von Experimenten endlich ihre früheren Daten über die Fähigkeit eines elementaren Neutrinoteilchens, sich schneller als Lichtgeschwindigkeit zu bewegen, widerlegt - die größte wissenschaftliche Sensation der letzten Jahre hat nicht einmal ein Jahr gelebt. Einer der Teilnehmer des Experiments, ein Mitarbeiter des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung, sagte gegenüber der RIA Nowosti (JINR) Juri Gornuschkin.

Das Neutrino-Experiment OPERA rückte Ende September 2011 ins Rampenlicht, als Wissenschaftler dieser Gruppe. Wissenschaftler schätzen, dass Neutrinos 730 Kilometer vom SPS-Beschleuniger am CERN zum unterirdischen Detektor OPERA im italienischen Labor von Gran Sasso geflogen sind, durchschnittlich 60 Nanosekunden schneller als die Berechnungen nahelegen.

Später berichteten die Teilnehmer der OPERA-Kollaboration jedoch, einen technischen Fehler entdeckt zu haben, der bei Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit zum Auftreten von Daten führen könnte. Die Zusammenarbeit beschloss, diese Ergebnisse im Mai erneut zu testen.

Das Ende der Sensation

Yuri Gornushkin, Leiter der Teilnehmergruppe des OPERA-Experiments vom Joint Institute for Nuclear Research (JINR), sagte gegenüber RIA Novosti, dass ein Bericht über die Ergebnisse dieses Tests auf der Konferenz Neutrino 2012 im japanischen Kyoto am Freitag.

"Das Experiment wurde Ende letzten Jahres und im Mai dieses Jahres unter besonderen Bedingungen mit sehr kurzen Neutrino-Pulsen vom CERN-Beschleuniger wiederholt, wodurch die Interpretation der Ergebnisse völlig eindeutig ist. Nach neuesten Daten ist dies bestätigt." die Geschwindigkeit des Neutrinos stimmt mit guter Genauigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit überein, und damit ist die Unrichtigkeit der sensationellen Aussagen des letzten Jahres endgültig bewiesen", sagte Gornushkin.

Neutrino-Geschwindigkeitstests von OPERA sowie drei weitere Neutrino-Experimente in Gran Sasso - Borexino, LVD und ICARUS - zeigten keine signifikanten Abweichungen von der Lichtgeschwindigkeit.

Insbesondere betrug die Abweichung der Neutrino-Ankunftszeit von der von OPERA gemessenen erwarteten nur 1,6 Nanosekunden. In diesem Fall beträgt der statistische Fehler plus oder minus 1,1 Nanosekunden und der systematische Fehler beträgt bis zu 6,1 Nanosekunden. Das ICARUS-Ergebnis beträgt 5,1 Nanosekunden mit einem gesamten Plus-Minuten-Fehler von 6,6 Nanosekunden, Borexino – 2,7 Nanosekunden plus oder minus 4,2 Nanosekunden, LVD – 2,9 Nanosekunden plus oder minus 3,6 Nanosekunden.

Stecker nicht geprüft

Der Sprecher - Marcos Dracos vom französischen Institut für interdisziplinäre Forschung (IPHC) sprach auch über die Gründe für den Fehler.

Als Quelle superluminaler Neutrinos stellte sich ein schlecht eingesteckter optischer Kabelstecker zwischen der externen GPS-Antenne und der Einheit im Datenerfassungssystem der Einrichtung heraus, die für die Synchronisierung der internen Uhr der Einrichtung und der Uhr am CERN verantwortlich ist, wobei der Moment, in dem sich das Neutrino zu bewegen beginnt, wurde bestimmt.

"Dies führte dazu, dass die innere Uhr effektiv eilte, was zu dem falschen Eindruck führte, dass Neutrinos früher ankommen, als wenn sie eine Geschwindigkeit hätten, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht", sagte Gornushkin.

Ihm zufolge wurde die Verzögerung dieses optischen Kabels im Jahr 2007 gemessen. Danach wurde der Konnektor falsch gesteckt, was zu einer zusätzlichen Verzögerung an diesem Konnektor von 73 Nanosekunden führte, die aber nicht mehr bekannt war und bei der Berechnung der Neutrino-Flugzeit nicht berücksichtigt wurde - bis zur Verifikation am Ende des 2011. Darüber hinaus wurde ein weiterer Effekt entdeckt - die Frequenz des Generators der internen Uhr des Datenerfassungssystems lag etwas unter dem Nennwert.

„Es ist nicht beängstigend, wenn die Zeit oft mit einem externen sehr genauen Zeitsignal synchronisiert wird. Allerdings wurde die Synchronisation einmal alle 0,6 Sekunden durchgeführt, was bei der Messung der Flugzeit bereits etwa 15 Nanosekunden in Richtung Zeitdilatation ergab.“ erklärte der Wissenschaftler.

Nach Erhalt des „superluminalen Ergebnisses“ bestanden die meisten Versuchsteilnehmer darauf, die Tests fortzusetzen und zu wiederholen. Der wissenschaftliche Koordinator Dario Autiero, der all diese Messungen durchführte, versicherte jedoch, dass alles bereits viele Male überprüft worden sei, und es gebe keinen Zweifel.

Am Ende wurde beschlossen, ein Seminar am CERN abzuhalten, woraufhin eine Sensation entstand und ein Wasserfall von Theorien, die den neuen Effekt erklärten, auf die physische Gemeinschaft fiel - von ganz normal bis dilettantisch.

"Das ist übrigens der positivste Teil dieser Geschichte - die Sensation hat die wissenschaftliche Phantasie, das Interesse an wissenschaftlichen Ergebnissen in der Gesellschaft angeregt. All das wäre schön, jeder Forscher hat das Recht, Fehler zu machen, aber man muss es sein." sehr, sehr kritisch in Ihrer Arbeit. In unserem Fall wollten einige Leute wirklich Ruhm, also haben sie verraten, was sie als Realität wollten. Als Ergebnis wurde Ruhm erworben ", sagte Gornushkin.

Er erinnerte daran, dass der Leiter des OPERA-Experiments Professor Antonio Ereditato ist und Autiero selbst der Hauptautor ist.

CERN-Wissenschaftsdirektor Sergio Bertolucci sieht auch positive Aspekte des Geschehens.

„Diese Geschichte hat die Fantasie der Öffentlichkeit angeregt und den Menschen die Möglichkeit gegeben, zu sehen wissenschaftliche Methoden Arbeit in Aktion - das unerwartete Ergebnis wurde gründlich getestet, der Fall wurde gründlich untersucht und gelöst, insbesondere dank der Zusammenarbeit mit anderen Experimenten. So kommt die Wissenschaft voran“, sagte Bertolucci.

Rückkehr zu Tau-Neutrinos

Nun bemüht sich die Kollaboration, die Hauptaufgabe des Experiments erfolgreich abzuschließen: die Suche nach dem Auftreten von Tau-Neutrinos, allerdings unter anderer Führung, sagte Gornushkin.

Die Hauptaufgabe des OPERA-Experiments besteht darin, Neutrino-Oszillationen zu untersuchen - die Fähigkeit dieser Teilchen, sich von einem Neutrinotyp in einen anderen umzuwandeln. Insgesamt sind drei Arten von Neutrinos bekannt - Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Ihre Fähigkeit zur Transformation ist ein Beweis für das Vorhandensein von Neutrinomasse.

Im Jahr 2010 wurde im Projekt OPERA erstmals die Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tau-Neutrino aufgezeichnet. Die Hypothese, dass verschiedene Typen dieser Teilchen sich ineinander verwandeln können, existiert in der Physik schon lange und wird durch viele Beweise gestützt, jedoch haben Wissenschaftler die Umwandlung, Neutrino-Oszillation zum ersten Mal direkt beobachtet.

Der neue Leiter des OPERA-Projekts, Mitsuhiro Nakamura, sagte, Physiker hätten zum zweiten Mal die Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tau-Neutrino "gesehen".

Das Ende der Sensation

Neutrino-Geschwindigkeitstests von OPERA sowie drei weitere Neutrino-Experimente in Gran Sasso - Borexino, LVD und ICARUS - zeigten keine signifikanten Abweichungen von der Lichtgeschwindigkeit.

Stecker nicht geprüft

Der Sprecher - Marcos Dracos vom französischen Institut für interdisziplinäre Forschung (IPHC) sprach auch über die Gründe für den Fehler.

Er erinnerte daran, dass der Leiter des OPERA-Experiments Professor Antonio Ereditato ist und Autiero selbst der Hauptautor ist.

CERN-Wissenschaftsdirektor Sergio Bertolucci sieht auch positive Aspekte des Geschehens.

„Diese Geschichte hat die Fantasie der Öffentlichkeit angeregt und den Menschen die Möglichkeit gegeben, wissenschaftliche Arbeitsweisen in Aktion zu sehen – das unerwartete Ergebnis wurde gründlich getestet, der Fall wurde gründlich untersucht und vor allem dank der Zusammenarbeit mit anderen Experimenten gelöst geht vorwärts", - skaazl Bertolucci.

Rückkehr zu Tau-Neutrinos

Nun bemüht sich die Kollaboration, die Hauptaufgabe des Experiments erfolgreich abzuschließen: die Suche nach dem Auftreten von Tau-Neutrinos, allerdings unter anderer Führung, sagte Gornushkin.

Im Jahr 2010 wurde im Projekt OPERA erstmals die Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tau-Neutrino aufgezeichnet. Die Hypothese, dass sich verschiedene Arten dieser Teilchen ineinander verwandeln können, existiert in der Physik schon lange und wird durch viele Beweise gestützt, aber Wissenschaftler haben die Transformation selbst, die Neutrino-Oszillation, zum ersten Mal beobachtet.

Der neue Leiter des OPERA-Projekts, Mitsuhiro Nakamura, sagte, Physiker hätten zum zweiten Mal die Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tau-Neutrino "gesehen".

Ein Neutrino ist ein Elementarteilchen, das einem Elektron sehr ähnlich ist, aber kein elektrische Ladung... Es hat eine sehr geringe Masse, die sogar Null sein kann. Die Geschwindigkeit des Neutrinos hängt auch von der Masse ab. Der Unterschied in der Ankunftszeit des Partikels und des Lichts beträgt 0,0006% (± 0,0012%). Im Jahr 2011 wurde während des OPERA-Experiments festgestellt, dass die Geschwindigkeit von Neutrinos die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, aber unabhängige Erfahrungen haben dies nicht bestätigt.

Flüchtige Partikel

Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum. Da es sehr wenig mit Materie interagiert, ist es unglaublich schwer zu entdecken. Elektronen und Neutrinos nehmen nicht an starken Kernwechselwirkungen teil, sondern gleichermaßen an schwachen. Teilchen mit diesen Eigenschaften nennt man Leptonen. Zu den geladenen Leptonen gehören neben dem Elektron (und seinem Antiteilchen, dem Positron) das Myon (200 Elektronenmassen), Tau (3500 Elektronenmassen) und ihre Antiteilchen. Sie heißen so: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Jeder von ihnen hat eine Anti-Material-Komponente namens Antineutrino.

Myon und Tau haben wie ein Elektron begleitende Teilchen. Dies sind Myon- und Tau-Neutrinos. Die drei Arten von Partikeln unterscheiden sich voneinander. Wenn beispielsweise Myon-Neutrinos mit einem Target interagieren, produzieren sie immer Myonen, niemals Tau oder Elektronen. Wenn Teilchen wechselwirken, können zwar Elektronen und Elektron-Neutrinos erzeugt und zerstört werden, ihre Summe bleibt jedoch unverändert. Diese Tatsache führt zur Aufteilung der Leptonen in drei Typen, von denen jeder ein geladenes Lepton und ein begleitendes Neutrino hat.

Um dieses Teilchen zu detektieren, werden sehr große und extrem empfindliche Detektoren benötigt. Neutrinos mit niedriges Niveau Energien werden viele Lichtjahre zurücklegen, bevor sie mit Materie interagieren. Folglich beruhen alle bodengestützten Experimente mit ihnen darauf, einen kleinen Teil von ihnen zu messen und mit Registraren vernünftiger Größe zu interagieren. Am Sudbury Neutrino Observatory zum Beispiel, das 1000 Tonnen schweres Wasser enthält, passieren etwa 1012 solare Neutrinos pro Sekunde den Detektor. Und nur 30 werden pro Tag gefunden.

Entdeckungsgeschichte

Wolfgang Pauli postulierte erstmals 1930 die Existenz eines Teilchens. Ein Problem entstand damals, weil es schien, dass Energie und Drehimpuls beim Betazerfall nicht erhalten blieben. Pauli bemerkte jedoch, dass, wenn ein nicht wechselwirkendes neutrales Neutrinoteilchen emittiert wird, der Energieerhaltungssatz eingehalten wird. Der italienische Physiker Enrico Fermi entwickelte 1934 die Theorie des Betazerfalls und gab dem Teilchen seinen Namen.

Trotz aller Vorhersagen konnten Neutrinos deswegen 20 Jahre lang nicht experimentell mit Materie nachgewiesen werden. Da die Teilchen nicht elektrisch geladen sind, werden sie nicht durch elektromagnetische Kräfte beeinflusst und verursachen daher keine Ionisierung von Materie. Außerdem reagieren sie nur durch schwache Wechselwirkungen geringer Kraft mit Materie. Daher sind sie die durchdringendsten und können eine große Anzahl von Atomen durchdringen, ohne eine Reaktion auszulösen. Nur 1 von 10 Milliarden dieser Teilchen, die sich in einer Entfernung von dem Durchmesser der Erde durch Materie bewegen, reagiert mit einem Proton oder Neutron.

Schließlich berichtete 1956 eine Gruppe amerikanischer Physiker unter der Leitung von Frederick Reines, dass in ihren Experimenten von einem Kernreaktor emittierte Antineutrinos mit Protonen wechselwirkten, um Neutronen und Positronen zu bilden. Die einzigartigen (und seltenen) Energiesignaturen dieser neuesten Nebenprodukte sind ein Beweis für die Existenz des Teilchens.

Die Entdeckung geladener Myonen-Leptonen wurde zum Ausgangspunkt für die spätere Identifizierung der zweiten Art von Neutrino-Myonen. Ihre Identifizierung erfolgte 1962 anhand der Ergebnisse eines Experiments in einem Teilchenbeschleuniger. Hochenergetische myonische Neutrinos wurden durch den Zerfall von Pi-Mesonen erzeugt und so zum Detektor geschickt, dass ihre Reaktionen mit Materie untersucht werden konnten. Obwohl sie wie andere Arten dieser Teilchen nicht reaktiv sind, wurde festgestellt, dass Myon-Neutrinos in den seltenen Fällen, in denen sie mit Protonen oder Neutronen reagierten, Myonen, aber niemals Elektronen bilden. 1998 erhielten die amerikanischen Physiker Leon Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger Nobelpreis in der Physik zur Identifizierung von Myon-Neutrinos.

Mitte der 1970er Jahre wurde die Neutrinophysik durch eine andere Art von geladenem Lepton ergänzt - Tau. Tau-Neutrinos und Tau-Antineutrinos wurden mit diesem dritten geladenen Lepton assoziiert. Im Jahr 2000 Physiker am National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi berichtete über den ersten experimentellen Beweis für die Existenz dieses Teilchentyps.

Gewicht

Alle Arten von Neutrinos haben eine Masse, die viel geringer ist als die ihrer geladenen Gegenstücke. Experimente zeigen beispielsweise, dass die Elektron-Neutrino-Masse weniger als 0,002 % der Elektronenmasse betragen sollte und dass die Summe der Massen der drei Varianten weniger als 0,48 eV betragen sollte. Jahrelang schien das Teilchen keine Masse zu haben, obwohl es keine schlüssigen theoretischen Beweise dafür gab, warum dies der Fall sein sollte. Dann, im Jahr 2002, wurde am Sudbury Neutrino Observatory der erste direkte Beweis dafür erbracht, dass bei Kernreaktionen im Kern der Sonne emittierte Elektron-Neutrinos ihren Typ ändern, wenn sie es passieren. Solche "Schwingungen" von Neutrinos sind möglich, wenn eine oder mehrere Teilchenarten eine geringe Masse haben. Ihre Studien zur Wechselwirkung der kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre weisen ebenfalls auf das Vorhandensein von Masse hin, aber es sind weitere Experimente erforderlich, um sie genauer zu bestimmen.

Quellen von

Natürliche Quellen von Neutrinos sind der radioaktive Zerfall von Elementen im Erdinneren, bei dem ein großer Strom niederenergetischer Elektronen, Antineutrinos, emittiert wird. Auch Supernovae sind überwiegend Neutrino-Phänomene, da nur diese Teilchen das superdichte Material des kollabierenden Sterns durchdringen können; nur ein kleiner Teil der Energie wird in Licht umgewandelt. Berechnungen zeigen, dass etwa 2% der Sonnenenergie die Energie von Neutrinos ist, die bei thermonuklearen Fusionsreaktionen gebildet werden. Es ist wahrscheinlich, dass der größte Teil der Dunklen Materie im Universum aus Neutrinos besteht, die während des Urknalls produziert wurden.

Physikalische Probleme

Die mit Neutrinos und Astrophysik verbundenen Gebiete sind vielfältig und entwickeln sich schnell. Aktuelle Fragestellungen, die einen großen experimentellen und theoretischen Aufwand erfordern, sind folgende:

Welche Massen haben die verschiedenen Neutrinos?
Wie beeinflussen sie die Kosmologie des Urknalls?
Schwingen sie?
Können sich Neutrinos eines Typs in einen anderen verwandeln, wenn sie durch Materie und Raum reisen?
Unterscheiden sich Neutrinos grundlegend von ihren Antiteilchen?
Wie kollabieren Sterne und bilden Supernovae?
Welche Rolle spielen Neutrinos in der Kosmologie?

Eines der seit langem bestehenden Probleme von besonderem Interesse ist das sogenannte solare Neutrinoproblem. Dieser Name bezieht sich auf die Tatsache, dass mehrere bodengebundene Experimente der letzten 30 Jahre durchweg weniger Teilchen beobachtet haben, als zur Erzeugung der von der Sonne emittierten Energie benötigt werden. Eine mögliche Lösung ist Oszillation, also die Umwandlung von Elektron-Neutrinos in Myon oder Tau während ihrer Reise zur Erde. Da es viel schwieriger ist, niederenergetische Myonen oder Tau-Neutrinos zu messen, könnte diese Art der Transformation erklären, warum wir auf der Erde nicht die richtige Teilchenzahl beobachten.

Vierter Nobelpreis

Takaaki Kajita und Arthur MacDonald erhielten 2015 den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung der Neutrinomasse. Dies war die vierte derartige Auszeichnung im Zusammenhang mit experimentellen Messungen dieser Partikel. Jemanden mag die Frage interessieren, warum wir uns so Sorgen machen sollten über etwas, das nur schwer mit gewöhnlicher Materie interagiert.

Allein die Tatsache, dass wir diese kurzlebigen Partikel erkennen können, zeugt von menschlichem Einfallsreichtum. Da die Regeln der Quantenmechanik probabilistisch sind, wissen wir, dass, obwohl fast alle Neutrinos die Erde passieren, einige von ihnen mit ihr interagieren. Ein ausreichend großer Detektor ist in der Lage, dies zu registrieren.

Das erste derartige Gerät wurde in den sechziger Jahren tief in einer Mine in South Dakota gebaut. Der Schacht war mit 400.000 Liter Reinigungsflüssigkeit gefüllt. Im Durchschnitt interagiert täglich ein Neutrinoteilchen mit einem Chloratom und wandelt es in Argon um. Unglaublicherweise hatte Raymond Davis, der für den Detektor verantwortlich war, einen Weg gefunden, diese wenigen Argonatome nachzuweisen, und vier Jahrzehnte später, im Jahr 2002, wurde ihm der Nobelpreis für diese erstaunliche technische Leistung verliehen.

Neue Astronomie

Da Neutrinos so schwach wechselwirken, können sie große Entfernungen zurücklegen. Sie geben uns einen Einblick in Orte, die wir sonst nie gesehen hätten. Die von Davis entdeckten Neutrinos wurden als Ergebnis von Kernreaktionen die genau im Zentrum der Sonne passierten und diesen unglaublich dichten und heißen Ort nur verlassen konnten, weil sie kaum mit anderer Materie wechselwirkten. Es ist sogar möglich, Neutrinos zu entdecken, die aus dem Zentrum eines explodierenden Sterns fliegen, der mehr als hunderttausend Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Darüber hinaus können Sie mit diesen Partikeln das Universum in seinen sehr kleinen Maßstäben beobachten, viel kleiner als die, die der Large Hadron Collider in Genf untersuchen kann, den das Nobelkomitee genau aus diesem Grund entdeckte, den Nobelpreis für die Entdeckung zu verleihen einer anderen Art von Neutrino.

Mysteriöser Mangel

Als Ray Davis solare Neutrinos beobachtete, fand er nur ein Drittel der erwarteten Zahl. Die meisten Physiker glaubten, dass der Grund dafür in einer geringen Kenntnis der Astrophysik der Sonne lag: Vielleicht überschätzten die Modelle des Inneren des Sterns die Zahl der darin produzierten Neutrinos. Im Laufe der Jahre blieb das Defizit jedoch bestehen, selbst nachdem sich die Solarmodelle verbessert hatten. Physiker machten auf eine weitere Möglichkeit aufmerksam: Das Problem könnte mit unseren Vorstellungen über diese Teilchen zusammenhängen. Nach der damals vorherrschenden Theorie besaßen sie keine Masse. Einige Physiker argumentierten jedoch, dass die Teilchen tatsächlich eine infinitesimale Masse hätten, und diese Masse sei der Grund für ihren Mangel.

Dreigesichtiges Teilchen

Nach der Theorie der Neutrino-Oszillationen gibt es in der Natur drei davon. verschiedene Typen... Wenn ein Teilchen eine Masse hat, kann es bei seiner Bewegung von einem Typ zum anderen wechseln. Drei Typen - Elektron, Myon und Tau - können bei der Wechselwirkung mit Materie in das entsprechende geladene Teilchen (Elektron, Myon oder Tau-Lepton) umgewandelt werden. "Oszillation" tritt auf aufgrund von Quantenmechanik... Der Neutrinotyp ist nicht konstant. Es ändert sich im Laufe der Zeit. Ein Neutrino, das seine Existenz als elektronisches begann, kann sich in ein myonisches und dann wieder zurück verwandeln. So kann sich ein im Kern der Sonne gebildetes Teilchen auf seinem Weg zur Erde periodisch in ein Myon-Neutrino verwandeln und umgekehrt. Da der Davis-Detektor nur ein Elektron-Neutrino nachweisen konnte, das zu einer Kernumwandlung von Chlor in Argon führen konnte, schien es möglich, dass sich die fehlenden Neutrinos in andere Typen verwandelten. (Wie sich herausstellte, schwingen Neutrinos im Inneren der Sonne und nicht auf dem Weg zur Erde).

Kanadisches Experiment

Die einzige Möglichkeit, dies zu testen, bestand darin, einen Detektor zu entwickeln, der für alle drei Arten von Neutrinos funktionierte. Seit den 1990er Jahren leitet Arthur MacDonald von der Queen's University in Ontario das Team dazu in einer Mine in Sudbury, Ontario. Die Anlage enthielt tonnenweise schweres Wasser, das von der kanadischen Regierung geliehen wurde. Schweres Wasser ist eine seltene, aber natürlich vorkommende Form von Wasser, in der Wasserstoff, der ein Proton enthält, durch sein schwereres Isotop Deuterium ersetzt wird, das ein Proton und ein Neutron enthält. Die kanadische Regierung hat schweres Wasser gelagert, weil es als Kühlmittel in Kernreaktoren verwendet wird. Alle drei Arten von Neutrinos konnten Deuterium zerstören, um ein Proton und ein Neutron zu bilden, und die Neutronen wurden dann gezählt. Der Detektor zeichnete im Vergleich zu Davis etwa dreimal so viele Teilchen auf - genau die Anzahl, die vorhergesagt wurde die besten modelle Die Sonne. Dies ließ vermuten, dass das Elektron-Neutrino in andere Typen schwingen kann.

Japanisches Experiment

Etwa zur gleichen Zeit führte Takaaki Kajita von der Universität Tokio ein weiteres bemerkenswertes Experiment durch. Ein in einer Mine in Japan installierter Detektor registrierte Neutrinos, die nicht aus dem Inneren der Sonne, sondern aus den oberen Schichten der Atmosphäre kamen. Wenn Protonen der kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre kollidieren, bilden sich Schauer anderer Teilchen, einschließlich myonischer Neutrinos. In der Mine verwandelten sie Wasserstoffkerne in Myonen. Kajitas Detektor konnte Teilchen beobachten, die in zwei Richtungen kamen. Einige fielen von oben, kamen aus der Atmosphäre, andere bewegten sich von unten. Die Anzahl der Teilchen war unterschiedlich, was auf ihre unterschiedliche Natur hindeutete - sie befanden sich an verschiedenen Punkten ihrer Schwingungszyklen.

Revolution in der Wissenschaft

Das ist alles exotisch und überraschend, aber warum ziehen Neutrino-Oszillationen und -Massen so viel Aufmerksamkeit auf sich? Der Grund ist einfach. Im Standardmodell der Physik Elementarteilchen, die in den letzten fünfzig Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts entwickelt wurde und alle anderen Beobachtungen in Beschleunigern und anderen Experimenten korrekt beschrieb, galten Neutrinos als masselos. Die Entdeckung der Neutrinomasse deutet darauf hin, dass etwas fehlt. Das Standardmodell ist nicht vollständig. Die fehlenden Elemente müssen erst noch entdeckt werden – mit Hilfe des Large Hadron Collider oder einer anderen, noch nicht geschaffenen Maschine.

Zur direkten Messung der Bewegungsgeschwindigkeit von Neutrinos. Die Ergebnisse klingen sensationell: Die Neutrino-Geschwindigkeit fiel leicht aus - aber statistisch signifikant! - mehr als die Lichtgeschwindigkeit. Der Artikel der Kollaboration enthält eine Analyse verschiedener Fehlerquellen und Unsicherheiten, aber die Reaktion der überwiegenden Mehrheit der Physiker bleibt sehr skeptisch, vor allem weil ein solches Ergebnis nicht mit anderen experimentellen Daten zu den Eigenschaften von Neutrinos übereinstimmt.

Reis. 1.

Versuchsdetails

Die Idee des Experiments (siehe OPERA-Experiment) ist sehr einfach. Ein Neutrinostrahl wird am CERN geboren, fliegt durch die Erde zum italienischen Labor von Gran Sasso und passiert dort den speziellen Neutrinodetektor OPERA. Neutrinos wechselwirken sehr schwach mit Materie, aber aufgrund der Tatsache, dass ihr Fluss vom CERN sehr groß ist, kollidieren einige Neutrinos immer noch mit Atomen im Inneren des Detektors. Dort erzeugen sie eine Kaskade geladener Teilchen und hinterlassen dabei ihr Signal im Detektor. Neutrinos am CERN werden nicht kontinuierlich geboren, sondern "bursts", und wenn wir den Moment der Neutrinogeburt und den Moment seiner Absorption im Detektor sowie den Abstand zwischen den beiden Labors kennen, können wir die Geschwindigkeit des Neutrinos berechnen .

Die Luftlinie zwischen Quelle und Detektor beträgt ca. 730 km und wurde mit einer Genauigkeit von 20 cm gemessen (der genaue Abstand zwischen den Referenzpunkten beträgt 730.534,61 ± 0,20 Meter). Zwar ist der Prozess, der zur Neutrino-Produktion führt, überhaupt nicht so genau lokalisiert. Am CERN wird ein hochenergetischer Protonenstrahl vom SPS-Beschleuniger emittiert, auf ein Graphit-Target fallen gelassen und erzeugt darin Sekundärteilchen, darunter Mesonen. Sie fliegen immer noch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vorwärts und zerfallen im Fluge in Myonen, die Neutrinos emittieren. Auch Myonen zerfallen und erzeugen zusätzliche Neutrinos. Dann werden alle Teilchen außer Neutrinos in der Substanzmasse absorbiert und erreichen ungehindert den Ort des Nachweises. Das allgemeine Schema dieses Teils des Experiments ist in Abb. 1.

Die gesamte Kaskade, die zum Erscheinen eines Neutrinostrahls führt, kann sich über Hunderte von Metern erstrecken. Da jedoch alle Teilchen in diesem Bündel fliegen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vorwärts, für die Detektionszeit ist es praktisch egal, ob ein Neutrino sofort oder nach einem Kilometer Reise geboren wurde (es hat jedoch sehr wichtig, als genau das ursprüngliche Proton, das zur Entstehung dieses Neutrinos führte, aus dem Beschleuniger flog). Als Ergebnis wiederholen die erzeugten Neutrinos im Großen und Ganzen einfach das Profil des anfänglichen Protonenstrahls. Daher ist hier gerade der zeitliche Verlauf des vom Beschleuniger emittierten Protonenstrahls, insbesondere die genaue Position seiner Vorder- und Hinterkante, der entscheidende Parameter, und dieser Verlauf wird mit einem guten zeitlichen gemessen NS m Auflösung (siehe Abb. 2).

Jede Sitzung, bei der ein Protonenstrahl auf ein Ziel abgeworfen wird (auf Englisch heißt eine solche Sitzung verschütten, "Splash") dauert etwa 10 Mikrosekunden und führt zur Bildung einer großen Anzahl von Neutrinos. Fast alle fliegen jedoch ohne Interaktion durch die Erde (und den Detektor). In diesen seltenen Fällen, in denen der Detektor ein Neutrino registriert, ist es unmöglich zu sagen, zu welchem Zeitpunkt während des 10-Mikrosekunden-Intervalls es emittiert wurde. Die Analyse kann nur statistisch durchgeführt werden, dh viele Fälle von Neutrino-Nachweis akkumulieren und ihre zeitliche Verteilung relativ zum Startpunkt für jede Sitzung konstruieren. Als Referenzpunkt wird im Detektor der Zeitpunkt genommen, an dem das mit Lichtgeschwindigkeit bewegte und exakt zum Zeitpunkt der Vorderkante des Protonenstrahls ausgesendete bedingte Signal den Detektor erreicht. Eine genaue Messung dieses Moments wurde durch die Synchronisation der Uhren in den beiden Labors mit einer Genauigkeit von mehreren Nanosekunden möglich.

In Abb. 3 zeigt ein Beispiel einer solchen Verteilung. Schwarze Punkte sind echte Neutrinodaten, die vom Detektor aufgezeichnet und über eine große Anzahl von Sitzungen summiert wurden. Die rote Kurve zeigt ein konventionelles „Referenz“-Signal, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde. Es ist ersichtlich, dass die Daten bei etwa 1048,5 ns . beginnen früher Referenzsignal. Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Neutrino dem Licht tatsächlich eine Mikrosekunde voraus ist, sondern ist nur ein Grund, alle Kabellängen, Reaktionsgeschwindigkeiten der Geräte, Verzögerungszeiten der Elektronik usw. sorgfältig zu messen. Diese erneute Überprüfung wurde durchgeführt und es stellte sich heraus, dass sie das "Referenz"-Moment um 988 ns verschiebt. Es stellt sich also heraus, dass das Neutrinosignal das Referenzsignal tatsächlich überholt, jedoch nur um etwa 60 Nanosekunden. Bezogen auf die Neutrinos-Geschwindigkeit entspricht dies einer Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit um etwa 0,0025%.

Der Fehler dieser Messung wurde von den Autoren der Analyse auf 10 Nanosekunden geschätzt, was sowohl statistische als auch systematische Fehler beinhaltet. Daher behaupten die Autoren, dass sie die Bewegung superluminaler Neutrinos mit einem statistischen Konfidenzniveau von sechs Standardabweichungen "sehen".

Der Unterschied zwischen den Ergebnissen und den Erwartungen um sechs Standardabweichungen ist schon recht groß und heißt in der Teilchenphysik lautes Wort"Öffnung". Diese Zahl muss jedoch richtig verstanden werden: Sie bedeutet nur, dass die Wahrscheinlichkeit statistisch Schwankungen in den Daten sind sehr gering, aber es sagt nicht aus, wie zuverlässig die Datenverarbeitungstechnik ist und wie gut die Physiker alle instrumentellen Fehler berücksichtigt haben. Schließlich gibt es in der Teilchenphysik viele Beispiele, bei denen ungewöhnliche Signale mit außergewöhnlich hoher statistischer Sicherheit nicht durch andere Experimente bestätigt wurden.

Was widersprechen superluminale Neutrinos?

Entgegen der landläufigen Meinung verbietet die spezielle Relativitätstheorie nicht die Existenz von Teilchen, die sich schneller als Licht bewegen. Für solche Teilchen (sie werden zusammenfassend "Tachyonen" genannt) ist jedoch auch die Lichtgeschwindigkeit eine Grenze, aber nur von unten - sie können sich nicht langsamer bewegen. In diesem Fall stellt sich die Abhängigkeit der Energie der Teilchen von der Geschwindigkeit als umgekehrt heraus: Je größer die Energie, desto näher ist die Geschwindigkeit der Tachyonen an der Lichtgeschwindigkeit.

Viel ernstere Probleme beginnen in der Quantenfeldtheorie. Diese Theorie ersetzt die Quantenmechanik, wenn es kommtüber Quantenteilchen mit hohen Energien. In dieser Theorie sind Teilchen keine Punkte, sondern relativ gesehen Klumpen eines materiellen Feldes, und es ist unmöglich, sie getrennt vom Feld zu betrachten. Es stellt sich heraus, dass Tachyonen die Feldenergie senken, was bedeutet, dass sie das Vakuum instabil machen. Es ist dann für Leere gewinnbringender, sich spontan in eine große Anzahl dieser Teilchen aufzulösen, und daher ist es einfach bedeutungslos, die Bewegung eines Tachyons im gewöhnlichen leeren Raum zu betrachten. Wir können sagen, dass ein Tachyon kein Teilchen ist, sondern eine Instabilität des Vakuums.

Bei Tachyonen-Fermionen ist die Situation etwas komplizierter, aber auch dort treten vergleichbare Schwierigkeiten auf, die die Erstellung einer in sich konsistenten Tachyonen-Quantenfeldtheorie einschließlich der gewöhnlichen Relativitätstheorie verhindern.

Dies ist jedoch auch nicht das letzte Wort in der Theorie. So wie Experimentatoren alles messen, was gemessen werden kann, testen auch Theoretiker alle möglichen hypothetischen Modelle, die den verfügbaren Daten nicht widersprechen. Insbesondere gibt es Theorien, bei denen eine kleine, noch nicht bemerkte Abweichung von den Postulaten der Relativitätstheorie erlaubt ist – zum Beispiel kann die Lichtgeschwindigkeit selbst sein Variable... Solche Theorien haben noch keine direkte experimentelle Unterstützung, aber sie sind noch nicht abgeschlossen.

Diese kurze Skizze theoretischer Möglichkeiten lässt sich wie folgt zusammenfassen: Obwohl in einigen theoretischen Modellen Bewegungen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich sind, bleiben sie rein hypothetische Konstruktionen. Alle bisher verfügbaren experimentellen Daten werden durch Standardtheorien ohne überluminale Bewegung beschrieben. Daher müsste die Quantenfeldtheorie, wenn sie auch für einige Teilchen zuverlässig bestätigt würde, radikal geändert werden.

Sollten wir das Ergebnis von OPERA in diesem Sinne als "das erste Zeichen" betrachten? Noch nicht. Der vielleicht wichtigste Grund für die Skepsis ist die Tatsache, dass das OPERA-Ergebnis nicht mit anderen experimentellen Daten zu Neutrinos übereinstimmt.

Zunächst wurden während der berühmten Supernova SN1987A auch Neutrinos nachgewiesen, die mehrere Stunden vor dem Lichtpuls eintrafen. Dies bedeutet nicht, dass Neutrinos schneller als Licht gingen, sondern spiegelt nur die Tatsache wider, dass Neutrinos in einem früheren Stadium des Kernkollapses einer Supernova-Explosion als Licht emittiert werden. Da sich Neutrinos und Licht jedoch nach 170.000 Jahren auf ihrem Weg nicht mehr als ein paar Stunden voneinander entfernt haben, bedeutet dies, dass ihre Geschwindigkeiten sehr nahe beieinander liegen und sich nur um einen Milliardstel Bruchteil unterscheiden. Das Experiment OPERA zeigt eine tausendmal stärkere Diskrepanz.

Hier können wir natürlich sagen, dass sich Neutrinos, die in Supernova-Explosionen erzeugt wurden, und Neutrinos vom CERN stark in der Energie unterscheiden (mehrere zehn MeV in Supernovae und 10–40 GeV im beschriebenen Experiment), und die Neutrinogeschwindigkeit ändert sich in Abhängigkeit von der Energie. Aber diese Änderung funktioniert in diesem Fall in die "falsche" Richtung: Denn je höher die Energie der Tachyonen, desto näher sollte ihre Geschwindigkeit an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Natürlich können Sie hier an eine Modifikation der Tachyonentheorie denken, bei der diese Abhängigkeit völlig anders wäre, aber in diesem Fall wird es notwendig sein, das "doppelhypothetische" Modell zu diskutieren.

Darüber hinaus ist aus einer Vielzahl experimenteller Daten zu Neutrino-Oszillationen erhalten für letzten Jahren, folgt, dass sich die Massen aller Neutrinos nur um einen Bruchteil eines Elektronvolts voneinander unterscheiden. Wenn das OPERA-Ergebnis als eine Manifestation der überluminalen Bewegung von Neutrinos wahrgenommen wird, liegt der Wert des Quadrats der Masse von mindestens einem Neutrino in der Größenordnung von - (100 MeV) 2 (negatives Quadrat der Masse ist das mathematische Manifestation der Tatsache, dass das Teilchen als Tachyon betrachtet wird). Dann musst du das zugeben alle Arten von Neutrinos sind Tachyonen und haben ungefähr die gleiche Masse. Andererseits zeigt die direkte Messung der Neutrinomasse beim Betazerfall von Tritiumkernen, dass die Neutrinomasse (in absoluten Werten) 2 Elektronenvolt nicht überschreiten sollte. Mit anderen Worten, all diese Daten können nicht miteinander in Einklang gebracht werden.

Die Schlussfolgerung daraus lässt sich wie folgt ziehen: Das erklärte Ergebnis der OPERA-Kollaboration lässt sich nur schwer in jedes noch so exotische Theoriemodell einpassen.

Was weiter?

In allen großen Kollaborationen in der Teilchenphysik ist es üblich, dass jede spezifische Analyse von einem kleinen Teilnehmerkreis durchgeführt wird und erst dann die Ergebnisse zur allgemeinen Diskussion gestellt werden. In diesem Fall war diese Phase offenbar zu kurz, weshalb nicht alle Teilnehmer der Zusammenarbeit zustimmten, ihre Unterschriften unter den Artikel zu ersetzen (die vollständige Liste umfasst 216 Teilnehmer des Experiments und der Preprint hat nur 174 Autoren). . Daher werden in naher Zukunft sehr wahrscheinlich viele zusätzliche Prüfungen innerhalb der Zusammenarbeit durchgeführt und erst danach wird der Artikel zum Druck gesendet.

Natürlich erwartet uns jetzt ein Strom von theoretischen Artikeln mit einer Vielzahl exotischer Erklärungen für dieses Ergebnis. Bis das deklarierte Ergebnis jedoch zuverlässig verifiziert ist, kann es nicht als vollwertige Entdeckung angesehen werden.