Аномалия сверхсветового нейтрино - Faster-than-light neutrino anomaly

Рис. 1 Быстрее легких нейтрино. Что увидела ОПЕРА. Слева - протонный пучок ускорителя CERN SPS. Он проходит через трансформатор тока пучка (BCT), попадает в цель, создавая сначала пионы, а затем, где-то в туннеле распада, нейтрино. Красные линии - это луч нейтрино ЦЕРН на Гран-Сассо (CNGS), направленный в лабораторию LNGS, где находится детектор OPERA. Пучок протонов синхронизируется с BCT. Левая форма волны представляет собой измеренное распределение протонов, а правая - зарегистрированное нейтрино OPERA. Сдвиг - это время пробега нейтрино. Пройденное расстояние составляет примерно 731 км. Вверху расположены спутники GPS, которые показывают общие часы для обоих сайтов, что позволяет сравнивать время. Только GPS-приемник PolaRx находится над землей, а оптоволоконные кабели переносят время под землей.
рисунок 1 Что ОПЕРА увидел. Крайний левый протон луч из ЦЕРН СПС ускоритель. Он проходит через трансформатор тока пучка (BCT), попадает в цель, создавая сначала пионы а потом где-то в туннеле распада, нейтрино. Красные линии - это ЦЕРН Нейтрино в Гран-Сассо (CNGS) луч к СПГ лаборатория, где находится детектор OPERA. Пучок протонов синхронизируется с BCT. Левая форма волны представляет собой измеренное распределение протонов, а правая - зарегистрированное нейтрино OPERA. Сдвиг - это время пробега нейтрино. Пройденное расстояние составляет примерно 731 км. Вверху находятся GPS спутники обеспечивают общие часы для обоих сайтов, что делает возможным сравнение времени. Только GPS-приемник PolaRx находится над землей, а оптоволоконные кабели переносят время под землей.

В 2011 г. ОПЕРНЫЙ эксперимент ошибочно заметил нейтрино кажется путешествующим быстрее света. Еще до того, как ошибка была обнаружена, результат считался аномальным, поскольку обычно считается, что скорости выше, чем скорость света в вакууме. нарушать специальная теория относительности, краеугольный камень современного понимания физики на протяжении более века.[1][2]

Ученые OPERA объявили результаты эксперимента в Сентябрь 2011 г. с заявленным намерением способствовать дальнейшему исследованию и обсуждению. Позже команда сообщила о двух недостатках в настройке оборудования, которые привели к ошибкам, выходящим далеко за рамки их первоначального. доверительный интервал: а опто-волоконный кабель подключен неправильно, что привело к измерениям со скоростью, по всей видимости, превышающей скорость света, а тактовый генератор тикает слишком быстро.[3] Ошибки были впервые подтверждены OPERA после ScienceInsider отчет;[4] учет этих двух источников ошибок исключил результаты, полученные при скорости света быстрее света.[5][6]

В марте 2012 г. ИКАРУС эксперимент сообщил о скоростях нейтрино, согласующихся со скоростью света в том же пучке коротких импульсов, который OPERA измерила в ноябре 2011 года. ICARUS использовал частично отличную от OPERA временную систему и измерил семь различных нейтрино.[7] Кроме того, эксперименты Гран Сассо БОРЕКСИНО, ИКАРУС, LVD и OPERA все измерили скорость нейтрино с помощью короткоимпульсного пучка в мае и получили согласие со скоростью света.[8]

8 июня 2012 года директор по исследованиям ЦЕРН Серджио Бертолуччи заявил от имени четырех команд Гран-Сассо, включая OPERA, что скорость нейтрино соответствует скорости света. В пресс-релизе, сделанном на 25-й Международной конференции по нейтринной физике и астрофизике в Киото, говорится, что первоначальные результаты OPERA были ошибочными из-за неисправности оборудования.[8]

12 июля 2012 г. OPERA обновила свою статью, включив в свои расчеты новые источники ошибок. Они нашли соответствие скорости нейтрино скорости света.[9]

Ожидается, что скорости нейтрино "согласуются" со скоростью света, учитывая ограниченную точность экспериментов на сегодняшний день. Нейтрино имеют малая, но ненулевая масса, и поэтому специальная теория относительности предсказывает, что они должны распространяться со скоростью меньше скорости света. Тем не менее, известные процессы образования нейтрино передают энергию, намного превышающую масштаб масс нейтрино, и поэтому почти все нейтрино являются ультрарелятивистский, распространяющиеся со скоростью, очень близкой к скорости света.

Обнаружение

Эксперимент создал форму нейтрино, мюонные нейтрино, в ЦЕРН старше СПС ускоритель на франко-швейцарской границе и обнаружил их в лаборатории СПГС в Гран-Сассо, Италия. Исследователи OPERA использовали общий вид GPS, полученный из стандартной GPS, для измерения времени и координат места, в котором нейтрино были созданы и обнаружены. По расчетам, среднее нейтрино время полета оказалось меньше того, что свету нужно было бы пройти такое же расстояние в вакууме. В двухнедельный период до 6 ноября, команда OPERA повторила измерение с другим способом генерации нейтрино, который помог измерить время пробега каждого зарегистрированного нейтрино отдельно. Это устранило некоторые возможные ошибки, связанные с согласованием зарегистрированных нейтрино со временем их рождения.[10]Сотрудничество OPERA заявило в своем первоначальном пресс-релизе, что необходимы дальнейшие исследования и независимые тесты, чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть результаты.[8]

Первые результаты

В Март 2011 г. Анализируя свои данные, ученые из коллаборации OPERA сообщили о доказательствах того, что нейтрино, произведенные ими в ЦЕРНе в Женеве и зарегистрированные детектором OPERA в Гран-Сассо, Италия, путешествовали быстрее света. Было подсчитано, что нейтрино прибыли примерно на 60,7 наносекунды (60,7 миллиардных долей секунды) раньше, чем свет, если бы прошел такое же расстояние в вакууме. После шести месяцев перекрестной проверки на 23 сентября 2011 г., исследователи объявили, что нейтрино двигались со скоростью, превышающей скорость света.[11] Аналогичные результаты были получены с использованием нейтрино с более высокой энергией (28 ГэВ), которые наблюдались для проверки зависимости скорости нейтрино от их энергии. Было измерено, что частицы прибывают в детектор быстрее света примерно на одну часть на 40000, с вероятностью 0,2 на миллион, что результат окажется ложноположительным. предполагая ошибка была полностью вызвана случайными эффектами (значение шести сигм ). Этот показатель включал оценки как ошибок измерения, так и ошибок использованной статистической процедуры. Однако это была мера точности, а не точность, на которые могут повлиять такие элементы, как неправильные вычисления или неправильные показания приборов.[12][13] Для экспериментов по физике элементарных частиц, включающих данные о столкновениях, стандартным объявлением об открытии является предел ошибки в пять сигм, более свободный, чем наблюдаемый предел в шесть сигм.[14]

В препринте исследования указывалось «[наблюдаемое] отклонение скорости нейтрино от c [скорость света в вакууме] была бы поразительным результатом, указывающим на новую физику в нейтринном секторе », и назвал бы« раннее время прибытия мюонных нейтрино CNGS »« аномалией ».[15] Представитель OPERA Антонио Эредитато объяснил, что команда OPERA «не обнаружила никакого инструментального эффекта, который мог бы объяснить результат измерения».[8] Джеймс Гиллис, представитель ЦЕРН, заявил 22 сентября, что ученые «приглашают более широкое физическое сообщество взглянуть на то, что они [сделали], и действительно тщательно изучить это в мельчайших подробностях, а в идеале, чтобы кто-то в мире повторил то же самое. измерения ».[16]

Внутренняя репликация

Рис. 2 Анализ внутренней репликации. Распределение значений раннего вступления для каждого зарегистрированного нейтрино с повторным запуском сгруппированного пучка. Среднее значение указано красной линией и синей полосой.
Рис. 2 Анализ внутренней репликации в ноябре. Распределение значений раннего вступления для каждого зарегистрированного нейтрино с повторным запуском сгруппированного пучка. Среднее значение указано красной линией и синей полосой.

В ноябре OPERA опубликовала уточненные результаты, в которых они отметили, что их шансы ошибиться еще меньше, что ужесточило границы ошибок. Нейтрино прибыли примерно на 57,8 нс раньше, чем если бы они двигались со скоростью света, что дает относительную разницу скоростей примерно в одну часть на 42000 относительно скорости света. Новый уровень значимости стал 6,2 сигма.[17] Коллаборация представила свои результаты для рецензируемой публикации в Журнал физики высоких энергий.[18][19]

В той же статье коллаборация OPERA также опубликовала результаты повторного эксперимента, проведенного с 21 октября 2011 г. к 7 ноября 2011 г.. Они зарегистрировали двадцать нейтрино, последовательно указывающих на раннее прибытие нейтрино примерно за 62,1 нс, что согласуется с результатом основного анализа.[20]

Погрешности измерения

В феврале 2012 года коллаборация OPERA сообщила о двух возможных источниках ошибок, которые могли существенно повлиять на результаты.[8]

  • Связь от приемника GPS с главными часами OPERA была потеряна, что увеличивало задержку в оптоволокне. Эффект сбоя заключался в уменьшении сообщаемого времени полета нейтрино на 73 нс, заставляя их казаться быстрее света.[21][22]
  • Часы на электронной плате тикали быстрее, чем ожидаемая частота в 10 МГц, увеличивая заявленное время полета нейтрино, тем самым несколько уменьшая кажущийся эффект скорости, превышающей скорость света. OPERA заявила, что компонент работал за пределами своих спецификаций.[23]

В марте 2012 г. СПГ семинар подтвердил, что оптоволоконный кабель не был полностью вкручен во время сбора данных.[5] Исследователи LVD сравнили временные данные для космических мюонов высокой энергии, попадающих как в OPERA, так и в ближайший детектор LVD в период с 2007 по 2008 год, с 2008 по 2011 год и с 2011 по 2012 год. Сдвиг, полученный за период 2008–2011 гг., Согласуется с аномалией OPERA.[24] Исследователи также нашли фотографии, показывающие, что кабель был ослаблен к 13 октября 2011 года.

С поправкой на два недавно обнаруженных источника ошибок результаты для скорости нейтрино, похоже, согласуются со скоростью света.[5]

Конечные результаты

12 июля 2012 года коллаборация OPERA опубликовала конечные результаты своих измерений в период с 2009 по 2011 годы. Разница между измеренным и ожидаемым временем прибытия нейтрино (по сравнению со скоростью света) составляла приблизительно 6,5 ± 15 нс. Это согласуется с отсутствием каких-либо различий, поэтому скорость нейтрино согласуется со скоростью света в пределах погрешности. Также повторный анализ повторного прогона сгруппированного пучка 2011 г. дал аналогичный результат.[9]

Независимая репликация

Основная статья: Измерения скорости нейтрино

В марте 2012 г. ИКАРУС эксперимент опроверг результаты ОПЕРЫ, измерив скорость нейтрино как скорость света.[7] ICARUS измерил скорость семи нейтрино в том же пучке коротких импульсов, который OPERA проверила в ноябре 2011 года, и обнаружил, что они в среднем движутся со скоростью света. Результаты были взяты из пробного запуска измерения скорости нейтрино, намеченного на май.[25]

В мае 2012 года ЦЕРН инициировал новый повторный прогон пучка пучка. Затем, в июне 2012 года, ЦЕРН объявил, что в четырех экспериментах Гран-Сассо OPERA, ICARUS, LVD и BOREXINO измерялись скорости нейтрино, соответствующие скорости света, что указывает на то, что первоначальный результат OPERA был вызван ошибками оборудования.[8]

Кроме того, «Фермилаб» заявила, что детекторы для проекта MINOS модернизируются.[26] Ученые Fermilab внимательно проанализировали и установили границы ошибок в своей системе хронометража.[27] 8 июня 2012 года MINOS объявил, что по предварительным результатам скорость нейтрино соответствует скорости света.[28]

Измерение

Эксперимент OPERA был разработан, чтобы запечатлеть, как нейтрино переключаются между различными идентичностями, но Аутьеро понял, что оборудование можно использовать и для точного измерения скорости нейтрино.[29] Более ранний результат МИНОС эксперимент в Фермилаб продемонстрировали, что измерение технически осуществимо.[30] Принцип эксперимента по скорости нейтрино OPERA состоял в том, чтобы сравнить время прохождения нейтрино со временем прохождения света. Нейтрино в эксперименте вышли из ЦЕРНа и полетели к детектору OPERA. Исследователи разделили это расстояние на скорость света в вакууме, чтобы предсказать, каким должно быть время прохождения нейтрино. Они сравнили это ожидаемое значение с измеренным временем в пути.[31]

Обзор

Для измерений команда OPERA использовала уже существующий пучок нейтрино, непрерывно движущийся из ЦЕРНа в СПГС, от пучка нейтрино ЦЕРНа к пучку Гран-Сассо. Измерение скорости означало измерение расстояния, пройденного нейтрино от источника до места, где они были обнаружены, и времени, затраченного на прохождение этого расстояния. Источник в ЦЕРНе находился на расстоянии более 730 километров (450 миль) от детектора на ЛНГС (Гран-Сассо). Эксперимент был сложным, потому что не было возможности измерить время отдельного нейтрино, что требовало более сложных шагов. Как показано в рисунок 1, ЦЕРН генерирует нейтрино, ударяя протонами, в импульсах длиной 10,5микросекунды (10,5 миллионных долей секунды) в графитовую мишень для образования промежуточных частиц, которые распадаются на нейтрино. Исследователи OPERA измеряли протоны, когда они проходили через секцию, называемую преобразователем тока пучка (BCT), и принимали положение преобразователя в качестве отправной точки нейтрино. Протоны на самом деле не создавали нейтрино еще на один километр, но потому что и протоны, и промежуточные частицы двигались почти со скоростью скорость света, ошибка предположения была приемлемо низкой.

Часы в ЦЕРНе и LNGS должны были быть синхронизированы, и для этого исследователи использовали высококачественные приемники GPS, подкрепленные атомными часами, в обоих местах. Эта система отметила время как протонного импульса, так и обнаруженных нейтрино с заявленной точностью 2,3 наносекунды. Но метку времени нельзя было прочитать как часы. В ЦЕРНе сигнал GPS поступал только на приемник в центральной диспетчерской, и его нужно было направить с помощью кабелей и электроники на компьютер в диспетчерской нейтринного пучка, который записал измерения протонного импульса (Рис. 3 ). Задержка этого оборудования составляла 10 085 наносекунд, и это значение нужно было добавить к отметке времени. Данные с преобразователя поступили в компьютер с задержкой в ​​580 наносекунд, и это значение пришлось вычесть из отметки времени. Чтобы внести все исправления, физикам пришлось измерить точную длину кабелей и время ожидания электронных устройств. Со стороны детектора нейтрино регистрировались по индуцированному ими заряду, а не по свету, который они генерировали, и для этого использовались кабели и электроника как часть временной цепи. Рис. 4 показывает поправки, примененные на стороне извещателя OPERA.

Поскольку нейтрино нельзя было точно отследить до конкретных протонов, их продуцирующих, пришлось использовать метод усреднения. Исследователи сложили измеренные импульсы протонов, чтобы получить среднее распределение по времени отдельных протонов в импульсе. Момент регистрации нейтрино на Гран-Сассо был нанесен на график для получения другого распределения. Ожидалось, что два распределения будут иметь похожие формы, но разделены расстоянием 2,4.миллисекунды, время, необходимое для преодоления расстояния со скоростью света. Экспериментаторы использовали алгоритм, максимальная вероятность, чтобы найти сдвиг во времени, который наилучшим образом обеспечил совпадение двух распределений. Рассчитанный таким образом сдвиг, статистически измеренное время прибытия нейтрино, был примерно на 60 наносекунд короче, чем нейтрино на 2,4 миллисекунды, если бы они двигались со скоростью света. В более позднем эксперименте длительность протонного импульса была сокращена до 3 наносекунд, и это помогло ученым сузить время генерации каждого зарегистрированного нейтрино до этого диапазона.[32]

Расстояние измерения

Расстояние измерялось путем точной фиксации точек источника и детектора в глобальной системе координат (ETRF2000 ). Геодезисты CERN использовали GPS для измерения местоположения источника. Что касается детекторов, команда OPERA работала с геодезической группой из Римский университет Ла Сапиенца для определения центра детектора с помощью GPS и стандартных методов составления карт. Чтобы связать наземное местоположение GPS с координатами подземного детектора, пришлось частично остановить движение транспорта на подъездной дороге к лаборатории. Объединив два измерения местоположения, исследователи рассчитали расстояние,[33] с точностью до 20 см на трассе длиной 730 км.[34]

Измерение времени поездки

Рис. 3 Система измерения времени CERN SPS / CNGS. Протоны циркулируют в SPS до тех пор, пока сигнал не попадает в трансформатор тока пучка (BCT) и направляется к цели. BCT - это исходная точка измерения. И сигнал кикера, и поток протонов в BCT попадают в оцифровщик формы волны (WFD), первым через приемник управления синхронизацией (CTRI). WFD записывает распределение протонов. Общие часы CNGS / LNGS поступают от GPS через приемник PolaRx и центральный CTRI, куда также поступают CERN UTC и General Machine Timing (GMT). Регистрируется разница между двумя ссылками. Маркер x ± y указывает наносекундную задержку «x» с границей ошибки «y» нс.
Рис. 3 Система измерения времени CERN SPS / CNGS. Протоны циркулируют в SPS до тех пор, пока сигнал не попадает в трансформатор тока пучка (BCT) и направляется к цели. BCT - это исходная точка измерения. И сигнал кикера, и поток протонов в BCT попадают в оцифровщик формы волны (WFD), первым через приемник управления синхронизацией (CTRI). WFD записывает распределение протонов. Общие часы CNGS / LNGS поступают от GPS через приемник PolaRx и центральный CTRI, куда также поступают CERN UTC и General Machine Timing (GMT). Регистрируется разница между двумя ссылками. Маркер х ± у указывает на наносекундную задержку "x" с границей ошибки "y" нс.
Рис. 4 Система измерения времени OPERA на ЛНГС: различные задержки временной цепи и стандартные отклонения погрешности. Верхняя половина изображения - это обычная система часов GPS (PolaRx2e - приемник GPS), а нижняя половина - подземный детектор. Под оптоволоконными кабелями идут часы GPS. Подземный детектор состоит из блоков от tt-полосы до FPGA. Ошибки для каждого компонента показаны как x ± y, где x - задержка, вызванная компонентом при передаче информации о времени, а y - ожидаемая граница этой задержки.
Рис. 4 Система измерения времени OPERA на ЛНГС: различные задержки временной цепи и стандартные отклонения погрешности. Верхняя половина изображения - это обычная система часов GPS (PolaRx2e - приемник GPS), а нижняя половина - подземный детектор. Под оптоволоконными кабелями идут часы GPS. Подземный детектор состоит из блоков от tt-полосы до FPGA. Ошибки для каждого компонента показаны как x ± y, где x - задержка, вызванная компонентом при передаче информации о времени, а y - ожидаемая граница этой задержки.
Системы хронометража на двух концах эксперимента OPERA

Время прохождения нейтрино нужно было измерять, отслеживая время, в которое они были созданы, и время, когда они были обнаружены, а также используя общие часы, чтобы гарантировать синхронизацию времени. В качестве рисунок 1 Как показано, система измерения времени включала источник нейтрино в ЦЕРНе, детектор в ЛНГС (Гран-Сассо) и общий для обоих спутников элемент. Общие часы были сигналом времени от нескольких спутников GPS, видимых как из ЦЕРНа, так и из LNGS. Инженеры отдела лучей CERN работали с командой OPERA, чтобы обеспечить измерение времени прохождения между источником в CERN и точкой непосредственно перед электроникой детектора OPERA с использованием точных GPS-приемников. Это включало синхронизацию взаимодействий протонных пучков в ЦЕРНе и время создания промежуточных частиц, в конечном итоге распадающихся на нейтрино (см. Рис. 3 ).

Исследователи из OPERA измерили оставшиеся задержки и калибровки, не включенные в расчет ЦЕРН: те, что показаны на Рис. 4. Нейтрино были обнаружены в подземной лаборатории, но обычные часы со спутников GPS были видны только над уровнем земли. Значение часов, отмеченное над землей, должно было быть передано на подземный детектор по оптоволоконному кабелю длиной 8 км. Задержки, связанные с этим переносом времени, должны были быть учтены в расчетах. Насколько может отличаться ошибка ( стандартное отклонение ошибок) имели значение для анализа и должны были рассчитываться для каждой части цепи ГРМ отдельно. Для измерения длины волокна и его последующей задержки использовались специальные методы, которые требовались как часть общего расчета.[33]

Кроме того, для увеличения разрешения от стандартных 100 наносекунд GPS до диапазона 1 наносекунды метрология лабораторий, исследователи OPERA использовали Септентрио точный GPS-приемник PolaRx2eTR,[35] наряду с проверками согласованности часов (процедуры калибровки времени), что позволило передача времени с общим представлением. PolaRx2eTR позволял измерять временной сдвиг между атомными часами и каждым из Глобальная навигационная спутниковая система спутниковые часы. Для калибровки оборудование было доставлено в Швейцарский метрологический институт (МЕТАС).[33] Кроме того, как в LNGS, так и в ЦЕРН были установлены высокостабильные цезиевые часы для перекрестной проверки времени GPS и повышения его точности. После того, как OPERA нашла сверхсветовой В результате калибровка времени была перепроверена инженером CERN и специалистом Немецкий институт метрологии (ПТБ).[33] Время пролета в конечном итоге было измерено с точностью до 10 наносекунд.[8][36] Окончательная граница ошибки была получена путем объединения дисперсии ошибки для отдельных частей.

Анализ

Команда OPERA проанализировала результаты разными способами и с использованием разных экспериментальных методов. После первоначального основного анализа, опубликованного в сентябре, в ноябре были опубликованы еще три анализа. В основном ноябрьском анализе все существующие данные были повторно проанализированы с целью внесения поправок на другие факторы, такие как Эффект Саньяка в котором вращение Земли влияет на расстояние, пройденное нейтрино. Затем альтернативный анализ принял другую модель для согласования нейтрино со временем их рождения. Третий ноябрьский анализ был посвящен другой экспериментальной установке («повторный запуск»), которая изменила способ создания нейтрино.

В первоначальной установке каждое зарегистрированное нейтрино должно было быть произведено где-то в диапазоне 10 500 наносекунд (10,5 микросекунд), поскольку это была продолжительность разлива протонного пучка, генерирующего нейтрино. Дальнейшее выделение времени образования нейтрино в пределах разлива было невозможно. Поэтому в своем основном статистическом анализе группа OPERA создала модель форм протонных волн в ЦЕРНе, объединила различные формы волн и построила график вероятности испускания нейтрино в разное время (глобальный функция плотности вероятности времен испускания нейтрино). Затем они сравнили этот график с графиком времен прибытия 15 223 зарегистрированных нейтрино. Это сравнение показало, что нейтрино достигли детектора на 57,8 наносекунд быстрее, чем если бы они двигались со скоростью света в вакууме. Альтернативный анализ, в котором каждое зарегистрированное нейтрино проверялось по форме волны связанного с ним разлива протона (а не по глобальной функции плотности вероятности), привел к совместимому результату примерно 54,5 наносекунды.[37]

Основной ноябрьский анализ, который показал время раннего прибытия 57,8 наносекунды, был проведен вслепую, чтобы избежать предвзятость наблюдателя, в результате чего те, кто выполняет анализ, могут непреднамеренно подстроить результат под ожидаемые значения. С этой целью первоначально были приняты старые и неполные значения расстояний и задержек с 2006 года. Поскольку окончательная коррекция еще не известна, промежуточный ожидаемый результат также был неизвестен. Анализ данных измерений в этих «слепых» условиях дал ранний приход нейтрино за 1043,4 наносекунды. После этого данные были повторно проанализированы с учетом полных и фактических источников ошибок. Если бы нейтрино и скорость света были одинаковыми, для поправки следовало бы получить значение вычитания 1043,4 наносекунды. Однако фактическое значение вычитания составило всего 985,6 наносекунды, что соответствует времени прибытия на 57,8 наносекунды раньше, чем ожидалось.[17]

Два аспекта результата стали предметом особого внимания нейтринного сообщества: система синхронизации GPS и профиль выброса протонного пучка, который генерировал нейтрино.[11] Вторая проблема была решена в ноябрьском повторном прогоне: для этого анализа ученые OPERA повторили измерение на той же базовой линии с использованием нового протонного пучка ЦЕРН, что избавило от необходимости делать какие-либо предположения о деталях образования нейтрино во время активации пучка, таких как распределение энергии или производительность. Этот пучок обеспечивал протонные импульсы продолжительностью 3 наносекунды каждый с промежутками до 524 наносекунд. Это означало, что зарегистрированное нейтрино можно было отслеживать однозначно до его генерации 3-наносекундного импульса, и, следовательно, можно было напрямую отметить время его начала и окончания. Таким образом, теперь скорость нейтрино можно было рассчитать, не прибегая к статистическим выводам.[8]

В дополнение к четырем вышеупомянутым анализам - сентябрьский основной анализ, ноябрьский основной анализ, альтернативный анализ и повторный анализ - команда OPERA также разделила данные по энергии нейтрино и сообщила результаты для каждого набора основных анализов в сентябре и ноябре. В повторном анализе было слишком мало нейтрино, чтобы рассматривать дальнейшее разделение набора.

Прием со стороны физического сообщества

После первоначального сообщения об очевидных сверхсветовых скоростях нейтрино большинство физиков в этой области отнеслись к результатам довольно скептически, но были готовы принять выжидательный подход. Эксперты-экспериментаторы знали о сложности и сложности измерения, поэтому дополнительная нераспознанная ошибка измерения все еще была реальной возможностью, несмотря на осторожность, проявленную командой OPERA.[нужна цитата ] Однако из-за всеобщего интереса несколько известных экспертов сделали публичные комментарии. Нобелевские лауреаты Стивен Вайнберг,[38] Джордж Смут III и Карло Руббиа,[39] и другие физики, не связанные с экспериментом, включая Мичио Каку,[40] выразил скептицизм по поводу точности эксперимента на том основании, что результаты ставят под сомнение давнюю теорию, согласующуюся с результатами многих других тесты специальной теории относительности.[41] Тем не менее, Эредитато, представитель OPERA, заявил, что ни у кого не было объяснения, которое опровергло бы результаты эксперимента.[42]

Предыдущие эксперименты со скоростью нейтрино сыграли свою роль в восприятии результатов ОПЕРЫ физическим сообществом. Эти эксперименты не обнаружили статистически значимых отклонений скорости нейтрино от скорости света. Например, Королевский астроном Мартин Рис и физики-теоретики Лоуренс Краусс[38] и Стивен Хокинг[43] заявил нейтрино из SN 1987A Взрыв сверхновой произошел почти одновременно со светом, что указывало на скорость нейтрино не выше скорости света. Джон Эллис, физик-теоретик в ЦЕРНе, считает, что трудно согласовать результаты OPERA с наблюдениями SN 1987A.[44] Наблюдения за этой сверхновой ограничили скорость антинейтрино 10 МэВ до менее 20 частей на миллиард (ppb) выше скорости света. Это была одна из причин, по которой большинство физиков подозревали, что команда OPERA допустила ошибку.[31]

Физики, участвовавшие в эксперименте, воздержались от интерпретации результата, заявив в своей статье:

Несмотря на большое значение измерения, о котором здесь сообщается, и стабильность анализа, потенциально большое влияние результата мотивирует продолжение наших исследований с целью изучения возможных до сих пор неизвестных систематических эффектов, которые могли бы объяснить наблюдаемую аномалию. Мы сознательно не предпринимаем никаких попыток теоретической или феноменологической интерпретации результатов.[15]

Физики-теоретики Джан Джудиче, Сергей Сибиряков и Алессандро Струмиа показали, что сверхсветовые нейтрино предполагают некоторые аномалии в скоростях электронов и мюонов в результате квантово-механических эффектов.[45] Такие аномалии уже могли быть исключены из имеющихся данных о космических лучах, что противоречило результатам OPERA. Эндрю Коэн и Шелдон Глэшоу предсказал, что сверхсветовые нейтрино будут излучать электроны и позитроны и терять энергию через вакуумные черенковские эффекты, где частица, движущаяся быстрее света, непрерывно распадается на другие более медленные частицы.[46] Однако это истощение энергии отсутствовало как в эксперименте OPERA, так и в совместном использовании. ИКАРУС эксперимент, который использует ту же балку CNGS, что и OPERA.[1][47] Это несоответствие видели Коэн и Глэшоу представить «серьезную проблему сверхсветовой интерпретации данных OPERA».[46]

Многие другие научные статьи об аномалии были опубликованы в виде arXiv препринты или в экспертная оценка журналы. Одни критиковали результат, другие пытались найти теоретические объяснения, заменяя или расширяя специальная теория относительности и стандартная модель.[48]

Обсуждения в рамках коллаборации OPERA

Через несколько месяцев после первоначального объявления в сотрудничестве OPERA возникла напряженность.[49][50][18][21] Вотум недоверия среди более чем тридцати руководителей групп не удалось, но пресс-секретарь Эредитато и координатор по физике Аутьеро все равно сложили свои руководящие должности 30 марта 2012 года.[5][51][52] В заявлении об отставке Ereditato утверждал, что их результаты были «чрезмерно сенсационными и изображались с не всегда оправданным упрощением», и защищал сотрудничество, заявляя: «Сотрудничество OPERA всегда действовало в полном соответствии с научной строгостью: как когда оно объявляло результаты, так и когда он дал им объяснение ".[53]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б Рейх (2011b).
  2. ^ Многие источники описывают сверхсветовую скорость (FTL) как нарушение специальной теории относительности (СТО): (Рейх (2011c); Чо (2011a); Цой (2011) ). Однако другие надежные источники не согласны; для FTL, не обязательно нарушающего SR, см. «Тахион» (2011).
  3. ^ Страсслер, М. (2012) "ОПЕРА: Что пошло не так" profmattstrassler.com
  4. ^ Картлидж (2012a); Картлидж (2012b)
  5. ^ а б c d Эжени Самуэль Райх (2 апреля 2012 г.), «Боевые лидеры нейтринного проекта уходят в отставку», Новости природы, Дои:10.1038 / природа.2012.10371, получено 2 апреля, 2012
  6. ^ Рейх (2012c).
  7. ^ а б ИКАРУС (2012b).
  8. ^ а б c d е ж грамм час «Эксперимент OPERA сообщает об аномалии времени полета нейтрино от ЦЕРНа до Гран-Сассо» (2011)
  9. ^ а б ОПЕРА (2012).
  10. ^ Картлидж (2011b).
  11. ^ а б Райх (2011a).
  12. ^ Брунетти (2011).
  13. ^ ОПЕРА (2011a).
  14. ^ Сейф (2000).
  15. ^ а б ОПЕРА (2011a), п. 29.
  16. ^ Джорданс и Боренштейн (2011a).
  17. ^ а б ОПЕРА (2011b).
  18. ^ а б Картлидж (2011c).
  19. ^ Джа (2011).
  20. ^ «Новый разлив протона из ЦЕРНа в Гран-Сассо» (2011 г.); ОПЕРА (2011b)
  21. ^ а б Картлидж (2012c).
  22. ^ Линдингер и Хагнер (2012).
  23. ^ «Наука в действии» (2012)
  24. ^ LVD и OPERA (2012).
  25. ^ Джорданс (2012).
  26. ^ Проститутка (2011).
  27. ^ Пиз (2011).
  28. ^ «MINOS сообщает о новом измерении скорости нейтрино». Фермилаб сегодня. 8 июня 2012 г.. Получено 8 июня, 2012.
  29. ^ Носенго (2011)
  30. ^ Картлидж (2011a).
  31. ^ а б Чо (2011b).
  32. ^ Цитирование пучка нейтрино Гран-Сассо в ЦЕРН взято из «Upstream от OPERA: особое внимание к деталям» (2011 г.); остальная часть описания в значительной степени основана на статье Чо (2011b), и, в некоторой степени, Картлидж (2011b).
  33. ^ а б c d «Upstream от OPERA: особое внимание к деталям» (2011 г.)
  34. ^ Colosimo et al. (2011).
  35. ^ «Удар Эйнштейна: Септентрио в эксперименте ЦЕРН» (2011).
  36. ^ Фельдманн (2011); Komatsu (2011)
  37. ^ ОПЕРА (2011), стр. 14, 16–21.
  38. ^ а б Матсон (2011).
  39. ^ Падала (2011).
  40. ^ Джорданс и Боренштейн (2011b).
  41. ^ Рейх (2011c); Чо (2011b); Прощай (2011); Гэри (2011)
  42. ^ Палмер (2011).
  43. ^ «Хокинг о будущем человечества» (2012).
  44. ^ Брамфил (2011).
  45. ^ Джудиче, Сибиряков и Струмия (2011)
  46. ^ а б Коэн и Глэшоу (2011)
  47. ^ ИКАРУС (2012a).
  48. ^ Список ресурсов в INFN SuperLuminal Neutrino, заархивировано из оригинал 2 сентября 2012 г.
  49. ^ Гроссман (2011a).
  50. ^ Гроссман (2011b).
  51. ^ Картлидж (2012d).
  52. ^ Гроссман (2012b).
  53. ^ Антонио Эредитато (30 марта 2012 г.). "ОПЕРА: Точка зрения Эредитато". Le Scienze.

Рекомендации

внешняя ссылка