Bardzo szybkie neutrina

Neutrina to cząstki słabo oddziałujące z materią. Pisaliśmy już o nich na tych łamach. Jednym z eksperymentów zaprojektowanych aby odkryć oscylacje neutrin jest Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA).

Eksperyment polega na wyprodukowaniu wiązki neutrin mionowych a następnie detekcji neutrin taonowych. Według teorii neutrina taonowe mogą powstać poprzez samoistne oscylacje z neutrin mionowych. Wiązka neutrin produkowana jest w laboratorium CERN poprzez zderzenia wysokoenergetycznych protonów. Następnie kierowana jest ona w stronę odległego o 730 kilometrów detektora w środkowych Włoszech. Mimo, że po drodze przechodzi przez skorupę ziemską ze względu na właściwości neutrin nie ma to wpływu na wiązkę. Detektor znajduje się głęboko pod ziemią aby zredukować wpływ promieniowania kosmicznego mogącego zafałszować wyniki.

Mimo, że OPERA miała w założeniach sprawdzić poprawność teorii oscylacji neutrin to rozgłos w mediach zyskała dzięki przypadkowemu odkryciu. Okazało się, że neutrina wysyłane ze Szwajcarii docierały do Włoch zbyt wcześnie. Gdy podzielono odległość między generatorem a detektorem neutrin przez czas ich przelotu okazało się, że poruszały się z prędkością większą niż światło w próżni. I tu pojawił się problem gdyż współczesna fizyka nie dopuszcza aby cokolwiek poruszało się tak szybko.

Fizycy prowadzący eksperyment postanowili usunąć możliwe źródła błędu. W tym celu trzeba było dokładnie zmierzyć odległość między oboma laboratoriami oraz czas przelotu neutrin.

Odległość zmierzono przy pomocy sygnałów GPS. Przyzwyczajeni jesteśmy, że odbiorniki GPS podają pozycję z dokładnością do kilku metrów. W zastosowaniach geodezyjnych możliwe jest jednak osiągnięcie dokładności centymetrowej. Pozycję obu laboratoriów ustalono tak dokładnie, że na wykresach widać było ruch skorupy tektonicznej oraz 7-centymetrowe przesunięcie spowodowane trzęsieniem ziemi, które wystąpiło w czasie trwania badań.

Problemem okazało się zmierzenie pozycji detektora. Znajduje się on głęboko pod ziemią przy tunelu samochodowym. Sygnału GPS można było użyć tylko do dokładnego (co do centymetra) zmierzenia pozycji obu końców tunelu. Aby wyznaczyć pozycję detektora trzeba było posłużyć się metodami triangulacji używanymi przez mierniczych. Triangulacja daje najlepsze wyniki przy dużych kątach. Ze względu na to, że tunel samochodowy jest ważną arterią komunikacyjną nie można go było zamknąć na cały tydzień aby przeprowadzić pomiary. Zamknięto tylko jedną nitkę podziemnej autostrady co zmniejszyło ostateczną precyzję pomiaru do 20cm. Przy 730km odległości to i tak doskonały wynik.

Mając wyznaczoną odległość trzeba było zmierzyć czas przelotu neutrin. Zaczęto od synchronizacji zegarów w obu miejscach. W tym celu znów posłużono się systemem GPS. Satelity GPS znajdują się dużo dalej od powierzchni Ziemi niż CERN od OPERY użyto zatem sygnału nadawanego z tego samego satelity do synchronizacji bardzo dokładnych zegarów w laboratoriach. Podczas całego eksperymentu zegary były synchronizowane co sekundę.

To jednak nie koniec. Należało skalibrować wszystkie urządzenia używane przy generowaniu i detekcji neutrin. Wiązka protonów wytworzona w cyklotronie jest odchylana przez magnes, kolimowana i zderzana z grafitowym blokiem, powoduje to powstanie pionów i kaonów, które trafiają do długiego na kilometr tunelu, w którym rozpadają się na miony i neutrina mionowe. Na końcu tunelu znajduje się 18-metrowej grubości blok grafitowo-metalowy wyłapujący resztki protonów oraz pionów. Miony są zatrzymywane w skale za blokiem. Jedynie neutrina – dla których materia jest prawie przezroczysta – lecą w kierunku odbiornika w Gran Sasso.

Intensywność wytworzonej wiązki protonów jest mierzona. Ten pomiar musi być zsynchronizowany z głównym zegarem w CERN aby było wiadomo kiedy wiązka neutrin opuściła generator. Dlatego przeprowadzono dokładne pomiary urządzeń wykrywających protony i ustalono ile nanosekund upływa od zarejestrowania protonu do zapisania pomiaru do bazy danych.

Pewnym ułatwieniem był fakt, że wszystkie cząstki występujące w eksperymencie mają bardzo duże energie czyli poruszają się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Nie miało więc znaczenia, w którym miejscu kilometrowego tunelu pion uległ rozpadowi i wygenerował neutrino.

Za to synchronizacja detektora była trudniejsza. Znajdował się on pod ziemią i trzeba było obliczyć jakie opóźnienia w sygnale wprowadza kabel łączący go z odbiornikiem GPS na powierzchni. Do tego dochodziła konieczność kalibracji czasowej wszystkich części detektora.

Synchronizacja wszystkich urządzeń zajęła pół roku. Aby upewnić się, że nie popełniono błędu wszystkie pomiary wykonywano dwukrotnie, za każdym razem używając innej metody. O pomoc poproszono pracowników z włoskiego i niemieckiego urzędu miar. Efektem prac była kalibracja całego toru eksperymentu z dokładnością do 20 nanosekund.

To jednak nie koniec problemów. Neutrina nie da się zaobserwować bezpośrednio. Cząstka ta musi oddziaływać z materią i po rozpadzie wytworzyć dające się zaobserwować cząstki. Aby dokładnie zmierzyć czas przelotu neutrin wytwarzano dwa krótkie impulsy protonów. Jednak detektory cząstek wtórnych w Gran Sasso odbierały sygnał rozmyty. Problemem okazały się zderzenia neutrin występujące w skałach dookoła detektora. Dopiero po usunięciu ich z danych otrzymano dokładne wyniki.

Można powiedzieć, że eksperyment zakończył się sukcesem. Czas przelotu neutrin zmierzono z bardzo dużą dokładnością. Problemem okazał się wynik. Neutrina podróżowały z prędkością wyższą niż światło w próżni. A tego nie przewiduje współczesna fizyka.

Ograniczenia prędkości światła jest podstawą szczególnej teorii względności Einsteina i zostało potwierdzone w wielu doświadczeniach. Wydaje się ono działać zarówno w skali makro (galaktyk i całego Wszechświata) jak i mikro (cząstki elementarne). Do tej pory wyniki eksperymentów jedynie potwierdzały twierdzenia Einsteina.

Dlatego właśnie naukowcy z OPERY nie nazywają swojego wyniku odkryciem. Większość uczonych skłania się ku tezie, że eksperyment obarczony jest jakimś niezauważonym wcześniej błędem. Po opublikowaniu wyników i metodologii możliwe jest powtórzenie eksperymentu z innymi parametrami. Gdyby jednak okazało się, że neutrina mogą podróżować szybciej niż światło to trzeba byłoby napisać fizykę od nowa. Byłby to najważniejszy eksperyment od stu lat.

PS. Pomiarów prędkości neutrin dokonywano już wcześniej przy okazji badania ich właściwości oscylacyjnych. Problemem jest jednak mała dokładność tych badań.

Dość istotny wynik świadczący przeciwko neutrinom szybszym niż światło dała supernowa zarejestrowana w 1987 roku. Supernowe emitują 99% energii wybuchu w krótkim, 10-sekundowym “błysku” neutrinowym. Znając czas wybuchu gwiazdy (z obserwacji optycznych) można obliczyć prędkość neutrin. Neutrina z supernowej 1987a nie przekroczyły prędkości światła.

Nie jest to co prawda dowód ostateczny. Neutrina sztucznie wytworzone miały dużo wyższą energię niż te naturalnie powstałe we wnętrzu gwiazdy. Możliwe, że wysokoenergetyczne neutrina są szybsze. OPERA nie mierzyła energii neutrin z wystarczającą dokładnością aby to rozstrzygnąć.

2 myśli nt. „Bardzo szybkie neutrina”

Odpowiedz na „t-1000Anuluj pisanie odpowiedzi

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*