Опера про швидкість нейтрино

У вересні колаборація OPERA, що ставить експеримент з осциляцій нейтрино, опублікувала електронний препринт, який став найбільшою сенсацією року в науковому світі, причому хвилі від сенсації пішли в широкі маси. Мова йде ні багато ні мало про перевищення швидкості світла нейтрино, що летять з ЦЕРНу в підземну лабораторію в Гран-Сассо поблизу Риму. ТрВ-Наука коротко писав про це у № 88 за 2011 р. Відтоді вийшла нова версія е-принта OPERA [1] і десятки е-принтів різних авторів, як з теоретичними інтерпретаціями, так і з пошуками методичних похибок, що імітують отриманий результат. Час висвітлити історію більш повно. Вона цього заслуговує незалежно від того, чим закінчиться.

Ми часто спостерігаємо сенсації, що стали результатом наукової або журналістської недобросовісності. Тут не той випадок. З одного боку, робиться твердження, що суперечить не тільки картині світу, але і ряду відомих фактів. З іншого боку, автори експерименту — цілком кваліфіковані люди, аналіз даних і можливих методичних похибок робиться ретельно і виглядає сумлінним. І поки ніхто не може вказати на явну помилку. Такої драматичної ситуації в сучасній фізиці, мабуть, не було.

Для початку скажемо пару слів про сам експеримент і про те, що саме в ньому виявлено.

Диво на 730 кілометрі

Для отримання пучка нейтрино використовується прискорювач SPS (Super Proton Synchrotron), який був побудований в 70-х, а зараз служить передбачувачем для Великого адронного колайдера. Схема традиційна: протони (400 ГЕВ) падають на мішень, в якій народжуються піони і каони. Вторинні частинки фокусуються і прямують у вакуумний розпадний канал кілометрової довжини, де піони з каонами дають мюонні нейтрино і мюони. Канал спрямований на підземну лабораторію в Гран-Сассо, яка знаходиться в 730 км (відповідно, канал йде з невеликим ухилом вниз). У Гран-Сассо нейтрино реєструє детектор масою 625 тонн — «шар’єний пиріг» зі свинцевих пластин, сцинтилятора і фотоемульсії. З 2009 р. в експерименті зареєстровано понад 15 тисяч нейтрино.

Швидкість окремо взятого нейтрино в такій постановці експерименту визначити неможливо: невідомо, коли воно вилетіло. Відомі лише моменти детектування. Однак скидання протонів нерівномірне за часом: він виробляється імпульсами по 10,5 мікросекунди, причому кожен імпульс має повторювану внутрішню тимчасову структуру. Можна подивитися, з якою затримкою нейтрино найкраще статистично повторюють часовий профіль скидання протонів. Для цього обчислюється функція кореляції залежно від затримки. Затримка, що дає пікову кореляцію, порівнюється з теоретичною: час прольоту світла плюс всілякі затримки сигналів у кабелях, затримки електроніки тощо. Відстань за допомогою GPS вимірюється з точністю 20 сантиметрів, час синхронізується за допомогою атомного годинника, всі затримки електричних сигналів ретельно вимірюються. Похибки не перевищують кількох наносекунд.

Результат: затримка, що дає кращу кореляцію, менше розрахункової світлової приблизно на 60 наносекунд. Це 18 метрів світлового шляху. Відносне випередження світла становить 2,5 * ¹⁰-5, а це величезна величина. Статистична значимість результату — 6 сигма, що досить серйозно.

До речі, слабка вказівка на надсвітову швидкість нейтрино вже була виявлена в експерименті MINOS (США, Fermilab). Але там статистична значимість була менше 2 сигма — від такої «вказівки» можна справедливо відмахнутися. Від результату OPERA відмахнутися вже не можна.

Стаття була опублікована в архіві е-принтів 22 вересня. Щоб виключити можливі «інсинуації» з приводу проблем, пов’язаних з великою тривалістю скидання протонів, OPERA встигла модифікувати експеримент. Скидання цього разу проводилося у вигляді коротких імпульсів тривалістю 3 наносекунди, розділених 524-наносекундними інтервалами. Ціна за таку модифікацію — 60-кратне зниження інтенсивності, тому було зареєстровано всього 34 нейтрино, з яких для аналізу відібрано 20. Всі 20 випереджають світло не менше ніж на 40 наносекунд! Середнє випередження — 62 наносекунди, статистична помилка — 3,7 нс. Таким чином, ці 20 нейтрино виглядають набагато переконливіше попередніх 15 тисяч. Версія статті з цим результатом викладена 23 листопада [1]. Рух нейтрино з надсвітовою швидкістю настільки суперечить сучасним науковим фактам і принципам, що заслуговує епітету «диво», якого, як відомо, не буває.

Ні в які ворота!

Чому саме суперечить надсвітова швидкість нейтрино? Почнемо з фактів.

По-перше, результат суперечить чудовому експерименту, поставленому Природою: вибуху наднової 1987A. Тоді нейтрино від вибуху, пройшовши 168 тисяч світлових років, потрапили в земні детектори в інтервалі декількох секунд (24 штуки у всіх детекторах). Це означає, що їх швидкість відрізнялася від швидкості світла не більше ніж на 10^-12, інакше, часи їх приходу розповзлися б на більш широкий інтервал — адже прийшли нейтрино мали різну енергію (10-20 МеВ). Це були інші нейтрино — електронні, але відомо, що нейтрино на льоту змінюють тип (так звані осциляції), тому значну частину шляху вони пройшли у вигляді мюонних нейтрино, тих самих, що летять з ЦЕРНу в Гран-Сассо. Енергія нейтрино в цих двох експериментах розрізняється в тисячу разів. Однак принцип відносності (Лоренц-інваріантність) вимагає, щоб нейтрино меншої енергії рухалися ще швидше, у разі нейтрино від наднової — вже в рази швидше світла. Так що різниця в енергії тільки посилює протиріччя.

Розподіл двадцяти зареєстрованих нейтрино за часом випередження розрахункового світлового сигналу. Побоювання: «Троїцький варіант»

Наступна нестиковка: надсвітові нейтрино, рухаючись у товщі Землі, повинні викликати добре обчислюваний процес: когерентне народження електрон-позитронних пар, по суті подібне до черенківського випромінювання. Цей процес призводить до втрат енергії, так що всі нейтрино, що долетіли до Гран-Сассо, повинні мати енергію нижче 12,5 ГЕВ. Цього не спостерігається: середня енергія детектованих нейтрино — 17 ГЕВ.

Є й інші фактичні нестиковки, але головна проблема куди глибша: частинки, що рухаються швидше за світло, порушують принцип причинності, який говорить, що причина не може мінятися місцями зі слідством, що майбутнє не може впливати на минуле, що доконаний ланцюг подій однозначний.

У теорії давно обговорюються тахіони — частинки з негативним квадратом маси, які у вільному вигляді повинні рухатися швидше світла. Але у тахіонів завжди був напівлегальний статус: вони використовувалися для конструювання полів, але поважають себе теоретики завжди дбали про те, щоб заборонити тахіонам передачу сигналу швидше світла. Але нейтрино передає сигнал! Чому принцип причинності такий важливий? У «розгнузданому» потоці теоретичних міркувань, що хлинув після 22 вересня, йому не приділяється належної поваги. Корисно проілюструвати ціну, яку доведеться заплатити за надсвітове нейтрино.

Релятивістська дуель

Мислений експеримент був і залишається одним з чудових і найдешевших методів дослідження. Уявімо собі двох істот з незрозумілою нам психікою, які вирішили влаштувати космічну дуель. У кожного — прискорювач, що формує пучок нейтрино, і кожен сидить на бомбі, що вибухає за сигналом від детектора нейтрино, що знаходиться при ньому ж. У кожного кнопка, що включає прискорювач, спрямований на партнера. Відстань між ними у світлових секундах набагато перевищує час реакції істот. Секундант знаходиться посередині між ними і дає відмашку у вигляді світлового сигналу, що посилається в обидва боки. Отримавши сигнал, дуелянти практично одночасно натискають на «пуск», нейтрино летять, детектуються, обидва практично одночасно вибухають — все ясно і чесно.

Припустимо, що крім секунданта є два спостерігачі, що летять з навколосвітньою швидкістю в протилежних напрямках, один — з боку дуелянту А до дуелянту Б — і навпаки. З точки зору першого спостерігача, Б отримав сигнал секунданта раніше і вистрілив раніше. Причому це не оптична ілюзія, а фундаментальна властивість теорії відносності: події, одночасні в одній системі відліку, не є одночасними в іншій.

Тепер важливий момент! Якщо ніякий сигнал не може передаватися швидше світла, то випередження Б, яке бачить перший спостерігач, не впливає на результат. Науковою мовою чотиримірний інтервал між пострілами є просторовим. Це означає, що постріли причинно не пов’язані: жоден з них ніяк не може вплинути на вчинення другого, з якої системи відліку ні спостерігай за поєдинком — обидва дуелянти гинуть.

Тепер припустимо, що нейтрино рухаються швидше світла (а якщо їх енергія невелика — набагато швидше). З точки зору секунданту, гинуть обидва, тільки раніше, ніж якби нейтрино летіло зі швидкістю світла. З точки зору першого спостерігача, дуелянт Б, отримавши сигнал першим, випускає нейтрино, що обганяють світловий сигнал від секунданту і підривають дуелянта А раніше, ніж той отримав відмашку і натиснув на кнопку. Результат: Б живий, а загинув. З точки зору другого спостерігача, живий А, Б убитий. Це знову не оптична ілюзія: якщо поза дуеллю причинність продовжує зберігатися, спостерігачі можуть все зняти, зупинитися, повернутися кожен до свого вцілілого і потиснути йому руку. Але секунданту нікому буде потиснути руку — обидва загинули. Історія «засмутиться». А що буде, якщо кожен зі спостерігачів візьме за руку свого вцілілого і відведе його до секунданта, щоб разом відзначити благополучний результат?.

Отже, допустивши швидкість нейтрино вище швидкості світла, ми отримали внутрішньо суперечливу картину світу. Ймовірно, тут можна якось викручуватися, наприклад корежити перетворення Лоренца, а за ними і багато іншого, — так що фундамент фізики в підсумку обернеться гнилим болотом.

І вигуки в залі

Автори сенсаційної статті завершують її акуратною фразою: «Незважаючи на велику статистичну значимість… і надійність аналізу, потенційне велике значення результату змушує нас продовжити експеримент для розслідування можливих, поки не відомих систематичних ефектів, здатних пояснити аномалію. Ми свідомо утримуємося від фізичної інтерпретації результатів «.

А широка наукова публіка утриматися не в змозі. З 22 вересня опубліковано більше сотні е-принтів, що інтерпретують результат. У шумі цього потоку різними є емоційні вигуки на кшталт:

— У нейтрино два масових стани! Від наднової прилетіли не ті статки, що в Гран-Сассо з ЦЕРНу.

— Вони вимірюють фазову швидкість нейтрино, а не справжню!

— Нейтрино летять правильно! Це світло на Землі сповільнене через концентрацію темної матерії.

— Перетворення Лоренца деформовані!

— Нейтрино — тахіонний хамелеон!

— Все одно вони в своєму експерименті не можуть передати ні біта інформації швидше світла!

— Фінслеровий простір все ставить на місця!

У більшій частині статей автори намагаються примирити протиріччя результату OPERA з фактами і принципами. Теоретичні лазівки, увертки, підпірки і підв’язки. Іноді — очевидна дурниця, іноді — ні. Все разом справляє досить анекдотичне враження. Ніби людьми рухає гіпертрофована потреба швидше висловитися при, навпаки, атрофованому страху сказати дурість.

Більш цінна і порівняно невелика частина статей знаходить нові суперечності між надсвітовими нейтрино та іншими відомими фактами. Найсильніша стаття з цієї серії — Коена і Глешоу (Andrew G. Cohen, Sheldon L. Glashow) [2], в якій вони демонструють вищезгаданий ефект гальмування надсвітових нейтрино через народження пар і показують, що через цей ефект надсвітові нейтрино були б чудово видно у великих детекторах спостереження типу Ia.ru C.

Також відносно невелика частина статей присвячена методичним проблемам, які, можливо, призводять до імітації надсвітової швидкості. Ряд припущень, таких як проблеми статистики, термічне розширення мішені, асиметрія переднього і заднього фронтів протонного імпульсу, був відзначений в новій постановці експерименту. Ряд залишився. Найсерйозніші претензії пов’язані з тим, що експеримент має постановку типу «one way» — вимірюється час шляху в один кінець, і виникають проблеми з синхронізацією годинників, що знаходяться в різних місцях, а також з правильним урахуванням всіх затримок. Найбільш доскональна стаття з аналізом можливих помилок синхронізації (ефекти ОТГ в роботі GPS, ефект обертання Землі тощо) опублікована Карло Конталді (Carlo R. Contaldi) [3]. Висновки цієї статті оскаржуються [4], на чиєму боці правда, ми поки не знаємо: завдання ТрВ-Наука — стежити за дискусією, а не влаштовувати власний розгляд. Багато хто згоден у тому, що набагато переконливішим був би експеримент типу «round trip», коли в одній точці вимірюється час шляху в обидва кінці.

Ще не фінал

Карл Саган сформулював корисний принцип: «Надзвичайні твердження потребують надзвичайних доказів». Твердження про надсвітову швидкість нейтрино — надзвичайне (про що в основному і йшлося в цій замітці). Доказ, поки, досить пересічний і вже точно не екстраординарний. Нові експерименти — справа не швидка. Причому потрібні нові експерименти в постановці «round trip», так як подібні експерименти можуть мати подібні джерела помилок. А зараз правильна позиція: «шукайте помилку». А ще краще: «шукаємо помилку всім світом», оскільки буває, що найважче знайти дурну помилку, що лежить на видному місці, — її бачить лише свіже око. Позиція «йдіть до біса зі своїм свідомо неправильним результатом» — деструктивна. У науці, як і в криміналістиці, не повинно залишатися «висяків».

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