Anomálie neutrin rychlejší než světlo - Faster-than-light neutrino anomaly

Obr. 1 Rychlejší než lehká neutrina. Co OPERA viděla. Vlevo je protonový paprsek z urychlovače CERN SPS. Prochází transformátorem paprskového proudu (BCT), zasáhne cíl a vytvoří nejprve piony a poté někde v rozpadovém tunelu neutrina. Červené čáry jsou paprskem CERN Neutrinos až Gran Sasso (CNGS) do laboratoře LNGS, kde je detektor OPERA. Protonový paprsek je načasován na BCT. Levá křivka je měřená distribuce protonů a pravá distribuce detekovaných neutrin OPERA. Posun je doba cestování neutrina. Ujetá vzdálenost je zhruba 731 km. Nahoře jsou satelity GPS, které oběma webům poskytují společné hodiny, což umožňuje časové srovnání. Pouze přijímač GPS PolaRx je nadzemní a optické kabely přinášejí čas do podzemí.
Obr. 1 Co OPERA viděl. Zleva je proton paprsek z CERN SPS plynový pedál. Prochází transformátorem proudu paprsku (BCT), zasáhne cíl a vytvoří nejprve, piony a pak někde v rozpadajícím se tunelu neutrina. Červené čáry jsou CERN Neutrinos Gran Sasso (CNGS) paprsek k LNGS laboratoř, kde je detektor OPERA. Protonový paprsek je načasován na BCT. Levá křivka je měřená distribuce protonů a pravá distribuce detekovaných neutrin OPERA. Posun je doba cestování neutrina. Ujetá vzdálenost je zhruba 731 km. Nahoře jsou GPS satelity poskytující společné hodiny oběma webům, což umožňuje časové srovnání. Pouze přijímač GPS PolaRx je nadzemní a optické kabely přinášejí čas do podzemí.

V roce 2011 OPERA experiment mylně pozorováno neutrina zdá se, že cestuje rychlejší než světlo. Ještě předtím, než byla chyba objevena, byl výsledek považován za anomální, protože se obecně předpokládá, že vyšší než rychlosti světla ve vakuu porušit speciální relativita, základní kámen moderního chápání fyziky po více než století.[1][2]

Vědci OPERA oznámili výsledky experimentu v roce Září 2011 s uvedeným záměrem podpořit další vyšetřování a debatu. Později tým oznámil dvě chyby v nastavení zařízení, které způsobily chyby daleko za jejich původem interval spolehlivosti: a optický kabel připojeno nesprávně, což způsobilo zjevně rychlejší měření než světlo, a hodinový oscilátor tikal příliš rychle.[3] Chyby byly nejprve potvrzeny OPEROU po a ScienceInsider zpráva;[4] účetnictví za tyto dva zdroje chyb eliminovalo výsledky rychlejší než světlo.[5][6]

V březnu 2012 se přidali ICARUS experiment hlášeny rychlosti neutrina v souladu s rychlostí světla ve stejném paprsku krátkých pulzů, který OPERA měřila v listopadu 2011. ICARUS použil částečně odlišný časovací systém než OPERA a měřil sedm různých neutrin.[7] Kromě toho experimenty Gran Sasso BOREXINO, ICARUS, LVD a OPERA v květnu změřily rychlost neutrina krátkovlnným paprskem a dosáhly shody s rychlostí světla.[8]

8. června 2012 ředitel výzkumu CERN Sergio Bertolucci prohlásil jménem čtyř týmů Gran Sasso, včetně OPERA, že rychlost neutrin je v souladu s rychlostí světla. Tisková zpráva z 25. mezinárodní konference o fyzice neutrin a astrofyziky v Kjótu uvádí, že původní výsledky OPERA byly kvůli chybám zařízení špatné.[8]

Dne 12. července 2012 společnost OPERA aktualizovala svůj příspěvek začleněním nových zdrojů chyb do svých výpočtů. Zjistili shodu rychlosti neutrina s rychlostí světla.[9]

Vzhledem k omezené přesnosti dosavadních experimentů se očekávají rychlosti neutrina „konzistentní“ s rychlostí světla. Neutrina mají malá, ale nenulová hmotnost, a tak speciální relativita předpovídá, že se musí šířit rychlostí nižší než světlo. Známé procesy výroby neutrin však dodávají energie mnohem vyšší než hmotnostní stupnice neutrin, takže téměř všechna neutrina jsou ultrarelativistické, šířící se rychlostí velmi blízkou rychlosti světla.

Detekce

Experiment vytvořil formu neutrin, mionová neutrina, na CERN je starší SPS urychlovač na francouzsko-švýcarské hranici a detekoval je v laboratoři LNGS v italském Gran Sasso. Výzkumníci OPERA použili společný pohled GPS, odvozené od standardního GPS, k měření časů a souřadnic míst, ve kterých byla neutrina vytvořena a detekována. Podle výpočtu je průměr neutrin čas letu Ukázalo se, že je menší než to, co by světlo muselo cestovat stejnou vzdálenost ve vakuu. Za dvoutýdenní období až 6. listopadutým OPERA zopakoval měření jiným způsobem generování neutrin, což pomohlo měřit čas cesty každého detekovaného neutrina zvlášť. To eliminovalo některé možné chyby související s párováním detekovaných neutrin s jejich časem vytvoření.[10]Spolupráce OPERA ve své původní tiskové zprávě uvedla, že k definitivnímu potvrzení nebo vyvrácení výsledků jsou nezbytné další kontroly a nezávislé testy.[8]

První výsledky

V Březen 2011 Při analýze jejich dat vědci ze spolupráce OPERA hlásili důkazy o tom, že neutrina, která vyprodukovali v CERNu v Ženevě a zaznamenali na detektoru OPERA v Gran Sasso v Itálii, cestovala rychleji než světlo. Bylo vypočteno, že neutrina dorazila přibližně o 60,7 nanosekund (60,7 miliardtiny sekundy) dříve, než by mělo světlo, pokud by procházely stejnou vzdálenost ve vakuu. Po šesti měsících křížové kontroly zapnuto 23. září 2011, vědci oznámili, že neutrina byla pozorována při cestování rychlostí vyšší než světlo.[11] Podobné výsledky byly získány za použití neutrin s vyšší energií (28 GeV), u kterých bylo pozorováno, zda rychlost neutrin závisí na jejich energii. Měřilo se, že částice přicházejí k detektoru rychleji než světlo přibližně o jednu část na 40 000, přičemž pravděpodobnost, že výsledek bude falešně pozitivní, bude 0,2 na milion, za předpokladu chyba byla zcela způsobena náhodnými efekty (význam šesti sigma ). Toto opatření zahrnovalo odhady jak pro chyby v měření, tak pro chyby z použitého statistického postupu. Nebyla to však míra přesnosti přesnost, které by mohly být ovlivněny prvky, jako jsou nesprávné výpočty nebo nesprávné odečty nástrojů.[12][13] U experimentů fyziky částic zahrnujících údaje o srážce je standardem pro oznámení objevu limit chyby pěti sigma, volnější než pozorovaný limit šesti sigma.[14]

Předtisk výzkumu uvedl: „[pozorovanou] odchylku rychlosti neutrina od C [rychlost světla ve vakuu] by byl překvapivým výsledkem poukazujícím na novou fyziku v sektoru neutrin “a označoval„ čas časného příjezdu muonových neutrin z CNGS “jako„ anomálii “.[15] Mluvčí OPERA Antonio Ereditato vysvětlil, že tým OPERA „nenašel žádný instrumentální efekt, který by mohl vysvětlit výsledek měření“.[8] James Gillies, mluvčí CERNu, řekl 22. září, že vědci „vyzývají širší komunitu fyziky, aby se podívali na to, co [udělali], a skutečně to podrobně prozkoumali, a v ideálním případě, aby někdo jinde na světě zopakoval Měření".[16]

Interní replikace

Obr. 2 Analýza interní replikace. Rozdělení hodnot předčasného příjezdu pro každé detekované neutrino s opakováním svazku paprsků. Střední hodnota je označena červenou čarou a modrým pruhem.
Obr Analýza interní replikace v listopadu. Rozdělení hodnot předčasného příjezdu pro každé detekované neutrino s opakováním svazku paprsků. Střední hodnota je označena červenou čarou a modrým pruhem.

V listopadu zveřejnila OPERA rafinované výsledky, kde zaznamenala své šance, že se budou mýlit, ještě méně, čímž posílila své hranice chyb. Neutrinos dorazili přibližně o 57,8 ns dříve, než kdyby cestovali rychlostí světla, což dává relativní rychlostní rozdíl přibližně jedné části na 42 000 oproti rychlosti světla. Nová úroveň významnosti se stala 6,2 sigma.[17] Spolupráce předložila své výsledky k recenzovanému publikaci Journal of High Energy Physics.[18][19]

Ve stejném příspěvku také spolupráce OPERA zveřejnila výsledky opakovaného experimentu běžícího od 21. října 2011 na 7. listopadu 2011. Zjistili dvacet neutrin důsledně indikujících předčasný příchod neutrin přibližně 62,1 ns, v souladu s výsledkem hlavní analýzy.[20]

Chyby měření

V únoru 2012 oznámila spolupráce OPERA dva možné zdroje chyb, které mohly významně ovlivnit výsledky.[8]

  • Spojení z přijímače GPS s hlavními hodinami OPERA bylo uvolněné, což zvýšilo zpoždění přes vlákno. Efektem závady bylo snížit hlášenou dobu letu neutrin o 73 ns, takže vypadaly rychleji než světlo.[21][22]
  • Hodiny na elektronické desce tikaly rychleji než očekávaná frekvence 10 MHz, čímž se prodloužila hlášená doba letu neutrin, čímž se poněkud snížil zdánlivý efekt rychleji než světlo. OPERA uvedla, že součást fungovala mimo její specifikace.[23]

V březnu 2012 LNGS se konal seminář, který potvrdil, že vláknový kabel nebyl během sběru dat zcela zašroubován.[5] Výzkumníci LVD porovnávali časová data kosmických vysokoenergetických mionů zasažených jak OPERA, tak blízkým detektorem LVD v letech 2007 až 2008, 2008–2011 a 2011–2012. Posun dosažený pro období 2008–2011 souhlasil s anomálií OPERA.[24] Vědci také našli fotografie ukazující, že kabel byl uvolněn do 13. října 2011.

Při korekci na dva nově nalezené zdroje chyb se výsledky pro rychlost neutrinu zdají být v souladu s rychlostí světla.[5]

Konečné výsledky

Dne 12. července 2012 zveřejnila spolupráce OPERA konečné výsledky jejich měření v letech 2009 až 2011. Rozdíl mezi naměřenou a očekávanou dobou příjezdu neutrin (ve srovnání s rychlostí světla) byl přibližně 6,5 ± 15 ns. To je v souladu s žádným rozdílem, takže rychlost neutrin je v souladu s rychlostí světla na hranici chyby. Podobný výsledek přinesla také opětovná analýza opakování svazku paprsků z roku 2011.[9]

Nezávislá replikace

Hlavní článek: Měření rychlosti neutrina

V březnu 2012 byla společně umístěna ICARUS experiment vyvrátil výsledky OPERA měřením rychlosti neutrina na rychlost světla.[7] ICARUS měřil rychlost pro sedm neutrin ve stejném paprsku krátkých pulzů OPERA, který zkontroloval v listopadu 2011, a zjistil, že v průměru cestují rychlostí světla. Výsledky pocházely ze zkušebního běhu měření neutrinové rychlosti plánovaného na květen.[25]

V květnu 2012 zahájil CERN nový opakovaný svazek paprsků. Poté v červnu 2012 CERN oznámil, že čtyři experimenty Gran Sasso OPERA, ICARUS, LVD a BOREXINO měřily neutrinové rychlosti v souladu s rychlostí světla, což naznačuje, že počáteční výsledek OPERA byl způsoben chybami zařízení.[8]

Fermilab navíc uvedl, že detektory pro projekt MINOS byly upgradovány.[26] Vědci z Fermilab podrobně analyzovali chyby ve svém časovacím systému a omezili je.[27] 8. června 2012 společnost MINOS oznámila, že podle předběžných výsledků je rychlost neutrina v souladu s rychlostí světla.[28]

Měření

Experiment OPERA byl navržen tak, aby zachytil, jak neutrina přepínají mezi různými identitami, ale Autiero si uvědomilo, že zařízení lze použít také k přesnému měření rychlosti neutrina.[29] Dřívější výsledek z MINOS experimentovat na Fermilab prokázal, že měření bylo technicky proveditelné.[30] Princip experimentu rychlosti neutrin OPERA spočíval v porovnání doby cestování neutrin s dobou cesty světla. Neutrina v experimentu se objevila v CERNu a odletěla k detektoru OPERA. Vědci tuto vzdálenost rozdělili rychlostí světla ve vakuu, aby předpověděli, jaká by měla být doba cestování neutrin. Porovnali tuto očekávanou hodnotu s naměřeným časem cesty.[31]

Přehled

Tým OPERA pro měření použil již existující paprsek neutrin cestujících nepřetržitě z CERNu do LNGS, CERN Neutrinos k paprsku Gran Sasso. Měření rychlosti znamenalo měřit vzdálenost uraženou neutriny od jejich zdroje k místu, kde byla detekována, a čas, který jim uběhla cesta touto délkou. Zdroj v CERNu byl vzdálen více než 730 kilometrů od detektoru v LNGS (Gran Sasso). Experiment byl složitý, protože neexistoval způsob, jak načasovat individuální neutrino, což by vyžadovalo složitější kroky. Jak je uvedeno v Obr. 1 „CERN generuje neutrina narážením protonů v pulzech o délce 10,5mikrosekundy (10,5 miliontiny sekundy), do grafitového terče, aby vznikly mezilehlé částice, které se rozpadají na neutrina. Vědci z OPERA změřili protony, když prošli úsekem zvaným transduktor paprskového proudu (BCT) a zaujali pozici transduktoru jako výchozí bod neutrin. Protony ve skutečnosti nevytvářely neutrina na další kilometr, ale proto, že jak protony, tak mezilehlé částice se pohybovaly téměř na rychlost světla, chyba z předpokladu byla přijatelně nízká.

Hodiny v CERNu a LNGS musely být synchronizovány, a proto vědci na obou místech používali vysoce kvalitní GPS přijímače zálohované atomovými hodinami. Tento systém časově označil jak protonový puls, tak i detekovaná neutrina s deklarovanou přesností 2,3 nanosekundy. Ale časovou značku nebylo možné číst jako hodiny. V CERNu signál GPS přicházel pouze k přijímači v centrální řídící místnosti a musel být směrován pomocí kabelů a elektroniky k počítači v řídicí místnosti neutrino paprsků, která zaznamenávala měření protonových pulsů (Obr ). Zpoždění tohoto zařízení bylo 10 085 nanosekund a tato hodnota musela být přidána k časovému razítku. Data z převodníku dorazila k počítači se zpožděním 580 nanosekund a tato hodnota musela být odečtena od časového razítka. Aby byly všechny opravy správné, museli fyzici změřit přesnou délku kabelů a latenci elektronických zařízení. Na straně detektoru byla neutrina detekována nábojem, který vyvolali, nikoli světlem, které generovali, a to zahrnovalo kabely a elektroniku jako součást časovacího řetězce. Obr zobrazuje opravy provedené na straně detektoru OPERA.

Vzhledem k tomu, že neutrina nebylo možné přesně vysledovat na konkrétní protony, které je produkují, bylo nutné použít průměrnou metodu. Vědci sečetli naměřené protonové pulsy, aby získali průměrnou časovou distribuci jednotlivých protonů v pulzu. Byl vynesen čas, kdy byla neutrina detekována v Gran Sasso, aby se vytvořila další distribuce. Očekávalo se, že obě distribuce budou mít podobné tvary, ale budou odděleny 2,4milisekundy, čas potřebný k ujetí vzdálenosti rychlostí světla. Experimentátoři použili algoritmus, maximální pravděpodobnost, hledat časový posun, který nejlépe způsobil, že se obě distribuce shodovaly. Takto vypočítaný posun, statisticky měřený čas příjezdu neutrina, byl přibližně o 60 nanosekund kratší než 2,4 milisekundy, které by neutrina vzala, kdyby cestovali jen rychlostí světla. V pozdějším experimentu byla šířka protonového pulsu zkrácena na 3 nanosekundy, což vědcům pomohlo zkrátit generační čas každého detekovaného neutrina na tento rozsah.[32]

Měření vzdálenosti

Vzdálenost byla měřena přesným zafixováním bodů zdroje a detektoru na globálním souřadném systému (ETRF2000 ). Zeměměřiči CERN použili GPS k měření polohy zdroje. Na straně detektoru pracoval tým OPERA s geodetickou skupinou z Univerzita Sapienza v Římě lokalizovat střed detektoru pomocí GPS a standardních technik vytváření map. Aby bylo možné spojit povrchovou polohu GPS se souřadnicemi podzemního detektoru, musel být provoz částečně zastaven na přístupové cestě do laboratoře. Kombinací dvou měření polohy vědci vypočítali vzdálenost,[33] na přesnost 20 cm v rámci dráhy 730 km.[34]

Měření doby jízdy

Obr. 3 Systém měření času CERN SPS / CNGS. Protony cirkulují v SPS, dokud nejsou nakopeny signálem do transformátoru proudu paprsku (BCT) a dále k cíli. BCT je počátek pro měření. Jak signál kickeru, tak tok protonů v BCT se dostávají do digitizéru vlnových průběhů (WFD), prvního prostřednictvím přijímače řízení časování (CTRI). WFD zaznamenává distribuci protonů. Společné hodiny CNGS / LNGS pocházejí z GPS prostřednictvím přijímače PolaRx a centrálního CTRI, kam také dorazí CERN UTC a General Machine Timing (GMT). Zaznamená se rozdíl mezi těmito dvěma referencemi. Značka x ± y označuje 'x' nanosekundové zpoždění s chybou chyby 'y' ns.
Obr Systém měření času CERN SPS / CNGS. Protony cirkulují v SPS, dokud nejsou nakopeny signálem do transformátoru proudu paprsku (BCT) a dále k cíli. BCT je počátek pro měření. Jak signál kickeru, tak tok protonů v BCT se dostávají do digitizéru vlnových průběhů (WFD), prvního prostřednictvím přijímače řízení časování (CTRI). WFD zaznamenává distribuci protonů. Společné hodiny CNGS / LNGS pocházejí z GPS prostřednictvím přijímače PolaRx a centrálního CTRI, kam také dorazí CERN UTC a General Machine Timing (GMT). Zaznamená se rozdíl mezi těmito dvěma referencemi. Značka x ± y označuje 'x' nanosekundové zpoždění s chybou chyby 'y' ns.
Obr. 4 Systém měření času OPERA na LNGS: různá zpoždění rozvodového řetězu a standardní odchylky chyby. Horní polovina obrázku je běžný hodinový systém GPS (PolaRx2e je přijímač GPS) a spodní polovina je podzemní detektor. Vláknové kabely přinášejí hodiny GPS pod. Podzemní detektor se skládá z bloků od tt-stripu k FPGA. Chyby pro každou komponentu jsou zobrazeny jako x ± y, kde x je zpoždění způsobené komponentou při přenosu časové informace a y je očekávaná hranice tohoto zpoždění.
Obr Systém měření času OPERA na LNGS: různá zpoždění rozvodového řetězu a standardní odchylky chyby. Horní polovina obrázku je běžný hodinový systém GPS (PolaRx2e je přijímač GPS) a spodní polovina je podzemní detektor. Vláknové kabely přinášejí hodiny GPS pod. Podzemní detektor se skládá z bloků od tt-stripu k FPGA. Chyby pro každou komponentu jsou zobrazeny jako x ± y, kde x je zpoždění způsobené komponentou při přenosu časové informace a y je očekávaná hranice tohoto zpoždění.
Časovací systémy na obou koncích experimentu OPERA

Čas cesty neutrin musel být měřen sledováním času, kdy byly vytvořeny, a času, kdy byly detekovány, a pomocí společných hodin k zajištění synchronizace časů. Tak jako Obr. 1 ukazuje, že systém měření času zahrnoval zdroj neutrin v CERNu, detektor v LNGS (Gran Sasso) a satelitní prvek společný pro oba. Společnými hodinami byl časový signál z několika satelitů GPS viditelných z CERN i LNGS. Inženýři oddělení paprsků CERN spolupracovali s týmem OPERA na zajištění měření doby cestování mezi zdrojem v CERNu a bodem těsně před elektronikou detektoru OPERA pomocí přesných GPS přijímačů. To zahrnovalo načasování interakcí protonových paprsků v CERNu a načasování vytváření mezilehlých částic nakonec rozpadajících se na neutrina (viz Obr ).

Vědci z OPERA měřili zbývající zpoždění a kalibrace, které nebyly zahrnuty do výpočtu CERN: ty, které jsou uvedeny v Obr. Neutrina byla detekována v podzemní laboratoři, ale běžné hodiny ze satelitů GPS byly viditelné pouze nad úrovní země. Hodinová hodnota zaznamenaná nad zemí musela být přenesena do podzemního detektoru 8 km dlouhým vláknovým kabelem. Do výpočtu bylo třeba započítat zpoždění spojená s tímto převodem času. Jak moc se chyba může lišit ( standardní odchylka chyb), na analýze záleželo a muselo se počítat pro každou část rozvodového řetězce samostatně. Ke změření délky vlákna a jeho následného zpoždění, které jsou součástí celkového výpočtu, byly použity speciální techniky.[33]

Kromě toho zostří rozlišení ze standardního GPS o 100 nanosekund na rozsah 1 nanosekundy metrologie laboratoře dosáhnout, použili výzkumníci OPERA Septentrio přesný přijímač GPS s časováním PolaRx2eTR,[35] spolu s kontrolami konzistence napříč hodinami (postupy kalibrace času), které to umožňovaly přenos času v běžném zobrazení. PolaRx2eTR umožňoval měření časového posunu mezi atomovými hodinami a každým z nich Globální navigační satelitní systém satelitní hodiny. Ke kalibraci bylo zařízení odvezeno do Švýcarský metrologický institut (METAS).[33] Kromě toho byly instalovány vysoce stabilní cesiové hodiny jak v LNGS, tak v CERNu, aby bylo možné zkontrolovat časování GPS a zvýšit jeho přesnost. Poté, co OPERA našla superluminální Výsledkem bylo, že časová kalibrace byla znovu zkontrolována jak inženýrem CERN, tak i Německý metrologický institut (PTB).[33] Čas letu byl nakonec změřen s přesností 10 nanosekund.[8][36] Konečná mezní chyba byla odvozena kombinací rozptylu chyby pro jednotlivé části.

Analýza

Tým OPERA analyzoval výsledky různými způsoby a pomocí různých experimentálních metod. Po úvodní hlavní analýze zveřejněné v září byly v listopadu zveřejněny tři další analýzy. V hlavní listopadové analýze byla všechna stávající data znovu analyzována, aby bylo možné provést úpravy pro další faktory, jako je Efekt Sagnac ve kterém rotace Země ovlivňuje vzdálenost uraženou neutriny. Pak alternativní analýza přijala jiný model pro přizpůsobení neutrin jejich době vzniku. Třetí listopadová analýza se zaměřila na jiné experimentální uspořádání („opakování“), které změnilo způsob, jakým byla neutrina vytvořena.

V počátečním nastavení by každé detekované neutrino bylo vyrobeno někdy v rozsahu 10 500 nanosekund (10,5 mikrosekund), protože to byla doba úniku protonového paprsku generujícího neutrina. Během úniku nebylo možné dále izolovat produkční čas neutrin. Skupina OPERA proto ve svých hlavních statistických analýzách vygenerovala model protonových vln v CERNu, vzala různé vlnové formy dohromady a vynesla si šanci, že budou neutrina emitována v různých časech (globální funkce hustoty pravděpodobnosti doby emisí neutrin). Poté porovnali tento graf s grafem časů příjezdu 15 223 detekovaných neutrin. Toto srovnání ukázalo, že neutrina dorazila k detektoru o 57,8 nanosekund rychleji, než kdyby cestovala rychlostí světla ve vakuu. Alternativní analýza, při které bylo každé detekované neutrino zkontrolováno proti tvaru vlny souvisejícího s protonovým únikem (namísto proti funkci globální hustoty pravděpodobnosti), vedlo ke kompatibilnímu výsledku přibližně 54,5 nanosekund.[37]

Listopadová hlavní analýza, která ukázala časný čas příjezdu 57,8 nanosekund, byla provedena slepě, aby se zabránilo zaujatost pozorovatele, přičemž ti, kdo provádějí analýzu, mohou nechtěně doladit výsledek na očekávané hodnoty. Za tímto účelem byly původně přijaty staré a neúplné hodnoty pro vzdálenosti a zpoždění z roku 2006. Vzhledem k tomu, že konečná nutná korekce ještě není známa, byl mezilehlý očekávaný výsledek také neznámý. Analýza naměřených dat za těchto „slepých“ podmínek poskytla časný neutrinový příchod 1043,4 nanosekund. Poté byla data znovu analyzována s přihlédnutím k úplným a skutečným zdrojům chyb. Pokud by neutrino a rychlost světla byly stejné, měla by být pro korekci získána hodnota odčítání 1043,4 nanosekund. Skutečná hodnota odčítání však činila pouze 985,6 nanosekund, což odpovídá době příjezdu o 57,8 nanosekund dříve, než se očekávalo.[17]

V neutrinové komunitě byly podrobně prozkoumány dva aspekty výsledku: synchronizační systém GPS a profil úniku protonového paprsku, který generoval neutrina.[11] Druhý problém byl řešen v listopadovém opakování: pro tuto analýzu vědci OPERA zopakovali měření na stejné základní linii s použitím nového protonového paprsku CERN, který obešel potřebu dělat jakékoli předpoklady ohledně podrobností produkce neutrin během aktivace paprsku, jako například distribuce energie nebo rychlost výroby. Tento paprsek poskytoval protonové pulsy po 3 nanosekundách, každý s mezerami až 524 nanosekund. To znamenalo, že detekované neutrino mohlo být sledováno jedinečně k jeho generování 3 nanosekundového pulzu, a tudíž bylo možné přímo zaznamenat jeho počáteční a koncový cestovní čas. Rychlost neutrina by tedy nyní mohla být vypočítána, aniž by bylo nutné uchýlit se ke statistickému závěru.[8]

Kromě výše zmíněných čtyř analýz - hlavní analýza v září, hlavní analýza v listopadu, alternativní analýza a analýza opakování - tým OPERA také rozdělil data podle neutrinové energie a vykázal výsledky pro každou sadu hlavních zářijových a listopadových analýz. Opakovaná analýza měla příliš málo neutrin, aby bylo možné uvažovat o dalším rozdělení sady.

Příjem komunitou fyziky

Po úvodní zprávě o zjevných superluminálních rychlostech neutrin byla většina fyziků v terénu k výsledkům tiše skeptická, ale byla připravena přijmout přístup vyčkávání. Experimentální odborníci si byli vědomi složitosti a obtížnosti měření, a tak i přes péči týmu OPERA byla skutečná možnost mimořádně neuznané chyby měření.[Citace je zapotřebí ] Kvůli širokému zájmu však několik známých odborníků učinilo veřejné komentáře. Nositelé Nobelovy ceny Steven Weinberg,[38] George Smoot III a Carlo Rubbia,[39] a další fyzici, kteří nejsou spojeni s experimentem, včetně Michio Kaku,[40] vyjádřil skepsi ohledně přesnosti experimentu na základě toho, že výsledky zpochybnily dlouhodobou teorii konzistentní s výsledky mnoha dalších testy speciální relativity.[41] Ereditato, mluvčí OPERA, nicméně uvedl, že nikdo neměl vysvětlení, které by vyvrátilo výsledky experimentu.[42]

Předchozí experimenty s rychlostí neutrina hrály roli při přijímání výsledku OPERY komunitou fyziky. Tyto experimenty nezjistily statisticky významné odchylky rychlostí neutrin od rychlosti světla. Například, Astronom Royal Martin Rees a teoretičtí fyzici Lawrence Krauss[38] a Stephen Hawking[43] uvedla neutrina z SN 1987A exploze supernovy dorazila téměř ve stejnou dobu jako světlo, což neukazovalo žádnou vyšší rychlost neutrina než světlo. John Ellis, teoretický fyzik v CERNu, věřil, že je obtížné sladit výsledky OPERA s pozorováním SN 1987A.[44] Pozorování této supernovy omezila anti-neutrinovou rychlost 10 MeV na méně než 20 části na miliardu (ppb) přes rychlost světla. To byl jeden z důvodů, proč většina fyziků měla podezření, že tým OPERA udělal chybu.[31]

Fyzici přidružení k experimentu se zdrželi interpretace výsledku a ve svém příspěvku uvedli:

Navzdory velkému významu zde uváděného měření a stabilitě analýzy potenciálně velký dopad výsledku motivuje pokračování našich studií s cílem prozkoumat možné dosud neznámé systematické účinky, které by mohly vysvětlit pozorovanou anomálii. Záměrně se nepokoušíme o žádnou teoretickou nebo fenomenologickou interpretaci výsledků.[15]

Teoretičtí fyzici Gian Giudice „Sergej Sibiryakov a Alessandro Strumia ukázali, že superluminální neutrina znamenají určité anomálie v rychlostech elektronů a mionů v důsledku kvantově-mechanických účinků.[45] Tyto anomálie lze již vyloučit ze stávajících údajů o kosmickém záření, což je v rozporu s výsledky OPERA. Andrew Cohen a Sheldon Glashow předpovídal, že superluminální neutrina vyzařují elektrony a pozitrony a ztrácejí energii vakuové Čerenkovovy efekty, kde se částice pohybující se rychleji než světlo kontinuálně rozpadají na jiné pomalejší částice.[46] Tento energetický úbytek však chyběl jak v experimentu OPERA, tak i v barvách ICARUS experiment, který používá stejný paprsek CNGS jako OPERA.[1][47] Tento rozpor viděli Cohen a Glashow představit „významnou výzvu pro superluminální interpretaci dat OPERA“.[46]

Mnoho dalších vědeckých prací o anomálii bylo publikováno jako arXiv předtisky nebo v recenzováno deníky. Někteří kritizovali výsledek, zatímco jiní se snažili najít teoretická vysvětlení, která by je nahradila nebo rozšířila speciální relativita a standardní model.[48]

Diskuse v rámci spolupráce OPERA

V měsících po prvním oznámení se ve spolupráci OPERA objevilo napětí.[49][50][18][21] Hlasování o nedůvěře mezi více než třiceti vedoucími týmů skupiny selhalo, ale mluvčí Ereditato a koordinátor fyziky Autiero 30. března 2012 rezignovali na své vedoucí pozice.[5][51][52] V rezignačním dopise Ereditato tvrdila, že jejich výsledky byly „nadměrně senzačně vyjádřeny a zobrazeny s ne vždy oprávněným zjednodušením“, a spolupráci obhájila slovy: „Spolupráce OPERA vždy jednala plně v souladu s vědeckou přísností: jak při vyhlášení výsledků, tak když jim to poskytlo vysvětlení. “[53]

Viz také

Poznámky

  1. ^ A b Reich (2011b).
  2. ^ Mnoho zdrojů popisuje rychlejší než světlo (FTL) jako porušení speciální relativity (SR): (Reich (2011c); Cho (2011a); Choi (2011) ). Jiné spolehlivé zdroje však nesouhlasí; pro FTL nemusí nutně porušovat SR, viz "Tachyon" (2011).
  3. ^ Strassler, M. (2012) „OPERA: What Went Wrong“ profmattstrassler.com
  4. ^ Cartlidge (2012a); Cartlidge (2012b)
  5. ^ A b C d Eugenie Samuel Reich (2. dubna 2012), „Vedoucí zapojení neutrino projektů odstoupili“, Zprávy o přírodě, doi:10.1038 / příroda.2012.10371, vyvoláno 2. dubna 2012
  6. ^ Reich (2012c).
  7. ^ A b ICARUS (2012b).
  8. ^ A b C d E F G h „Experiment OPERA uvádí anomálie doby letu neutrin z CERNu do Gran Sasso“ (2011)
  9. ^ A b OPERA (2012).
  10. ^ Cartlidge (2011b).
  11. ^ A b Reich (2011a).
  12. ^ Brunetti (2011).
  13. ^ OPERA (2011a).
  14. ^ Seife (2000).
  15. ^ A b OPERA (2011a), str. 29.
  16. ^ Jordans & Borenstein (2011a).
  17. ^ A b OPERA (2011b).
  18. ^ A b Cartlidge (2011c).
  19. ^ Jha (2011).
  20. ^ „Nový protonový únik z CERNu do Gran Sasso“ (2011); OPERA (2011b)
  21. ^ A b Cartlidge (2012c).
  22. ^ Lindinger & Hagner (2012).
  23. ^ „Věda v akci“ (2012)
  24. ^ LVD a OPERA (2012).
  25. ^ Jordans (2012).
  26. ^ Hooker (2011).
  27. ^ Pease (2011).
  28. ^ „MINOS hlásí nové měření rychlosti neutrina“. Fermilab dnes. 8. června 2012. Citováno 8. června 2012.
  29. ^ Nosengo (2011)
  30. ^ Cartlidge (2011a).
  31. ^ A b Cho (2011b).
  32. ^ Citace paprsku CERN-neutrino-to-Gran-Sasso je z „Proti proudu od OPERY: extrémní pozornost věnovaná detailům“ (2011); zbytek popisu silně čerpá z článku Cho (2011b), a do určité míry také Cartlidge (2011b).
  33. ^ A b C d „Proti proudu od OPERY: extrémní pozornost věnovaná detailům“ (2011)
  34. ^ Colosimo et al. (2011).
  35. ^ „Klepání Einstein: Septentrio v experimentu CERN“ (2011).
  36. ^ Feldmann (2011); Komatsu (2011)
  37. ^ OPERA (2011), s. 14, 16–21.
  38. ^ A b Matson (2011).
  39. ^ Padala (2011).
  40. ^ Jordans & Borenstein (2011b).
  41. ^ Reich (2011c); Cho (2011b); Overbye (2011); Gary (2011)
  42. ^ Palmer (2011).
  43. ^ „Jestřáb o budoucnosti lidstva“ (2012).
  44. ^ Brumfiel (2011).
  45. ^ Giudice, Sibiryakov & Strumia (2011)
  46. ^ A b Cohen & Glashow (2011)
  47. ^ ICARUS (2012a).
  48. ^ Seznam zdrojů na INFN SuperLuminal Neutrino, archivovány z originál 2. září 2012
  49. ^ Grossman (2011a).
  50. ^ Grossman (2011b).
  51. ^ Cartlidge (2012d).
  52. ^ Grossman (2012b).
  53. ^ Antonio Ereditato (30. března 2012). „OPERA: Ereditato's View of View“. Le Scienze.

Reference

externí odkazy