Zvětšit obrázek

Znázornění podzemního zařízení v CERN, kde Super Proton Synchrotron (SPS) urychluje protony na energii 400 GeV. Pak jsou pomocí magnetického pole nasměrovány do grafitového terčíku, kde ve srážkách s atomovými jádry produkují mezony pí. Ty se pak rozpadají za vzniku mionu a mionového neutrina. Kredit: T. Adam et al., arxiv

Rychlost neutrin se určuje tak, že mionová neutrina produkovaná pomocí urychlovačů v laboratoři CERN jsou zachycována v detektoru OPERA umístěném v 732 km vzdálené podzemní laboratoři v italském pohoří Gran Sasso. Podrobný popis experimentu a výsledky předchozího měření rychlosti shrnuje článek Překračují neutrina mezní rychlost světla? Nabízí také přehled možných zádrhelů, které mohou experiment provázet. Vzhledem k významným dopadům na další rozvoj fyziky, které by případné nezpochybnitelné potvrzení naměřené nadsvětelné rychlosti neutrin mělo, je velice důležité všechny možné zdroje nepřesností a nejistot analyzovat a vyloučit.

Problém při využití dlouhého pulzu

Jedním z nich je dlouhý čas pulzu protonového svazku, který v konečném důsledku mionová neutrina produkuje. Ten trval deset a půl mikrosekundy, tedy 10 500 nanosekund (miliardtin sekundy, zkratka ns). Připomeňme, že pozorovaný rozdíl mezi rychlostí světla a neutrina byl pouze okolo 60 ns. Bohužel, i když se při každém pulzu produkuje velký počet neutrin, je velké štěstí, když se z nich alespoň jedno zachytí v detektoru OPERA. Vždyť za dva roky činnosti detektoru se sice využilo k produkci neutrin 10²⁰ protonů, ale pouze 16 111 mionových neutrin se podařilo zaregistrovat. Neví se tak, jestli neutrino, které OPERA zachytila, pochází ze začátku pulzu, z jeho středu nebo úplného konce. U konkrétního neutrina tak nelze dobu letu určit a nejistota je zmíněných 10 500 ns délky pulzu. Proto se při měření rychlosti neutrin musela data dlouho nabírat, aby zachycené částice vykreslily dostatečně přesně celý tvar neutrinového pulzu. Ten se pak srovnal s tvarem pulzu protonů produkujících neutrina. Posun těchto dvou pulzů umožnil určit dobu letu neutrin z laboratoře CERN do laboratoře Gran Sasso. Přesnost určení je dána statistikou počtu zachycených neutrin a představu o ní nám můžou poskytnout obrázky, na nichž je srovnání detailu přední a zadní hrany protonového pulzu, který neutrina produkuje a pulzu, který vytváří zachycená neutrina.

Srovnání hran pulzu protonu (červená čára) a pulzu neutrin (body s vyznačenou statistickou chybou) posunutými tak, aby se co nejvíce překrývaly. Jde o dvě různé extrakce protonů, které probíhají při jednom urychlování. V předchozím článku na Oslovi bylo srovnání celých pulzů (Zdroj: arXiv:1109.4897).

Zvětšit obrázek

Tvar protonového pulzu, který produkuje mezony pí, jejichž rozpadem vznikají neutrina (zdroj arXiv 1109.4897).

Proč nezkusit krátký pulz?

Využívání dlouhých pulzů nebylo dáno potřebami měření rychlosti neutrin, ale hlavním cílem experimentu CNGS, kterým je přímé potvrzení oscilací mionového neutrina na tauonové (viz První přímé pozorování oscilace mionového neutrina na tauonové). Zachycení tauonového neutrina vzniklého oscilací mionového je extrémně náročné. Zatím se podařilo zachytit pouze jedno a za předpokládanou více než desetiletou činnost experimentu se jich má zachytit asi šest. Je tak možné s jistou nadsázkou říci, že si fyzici na tomto experimentu krátili měřením rychlosti neutrin dlouhé nudné čekání na tauonová neutrina. A zadělali tak fyzice na opravdu zajímavý problém a sobě třeba na Nobelovu cenu.

 Teď opět vážněji. Je jasné, že je možné pulz protonů dostatečně zkrátit a udělat mezi nimi dlouhou mezeru. Tím u každého z neutrin víme přesný čas, kdy vyletělo, a pro měření rychlosti jich pak stačí zachytit pár. Měří se totiž rychlost každého zachyceného neutrina. Proto začali v laboratoři CERN pracovat v režimu, kdy pulz trval zhruba 3 ns a mezi dvěma pulzy byla mezera 524 ns. Pak v takovém režimu sice v pulzu na terč dopadá daleko méně protonů (zhruba 10¹²), takže celkově za experiment okolo 10¹⁶, ale to postačuje. Celková statistika je tak šedesátkrát menší, než by byla při provozu s dlouhým pulzem. Asi dva týdny práce v tomto režimu umožnilo detekovat a změřit rychlost dvaceti neutrin.

I když je v jejich dobách  letu jistý rozptyl, přesto ukazují shodu s výsledky získanými dříve. Rozdíl mezi dobou letu jednotlivých neutrin je zhruba 40 ns. To může sice ukazovat na problémy v časování, ale jejich střední hodnota zhruba odpovídá tomu, co se zjistilo při analýze předchozích měření. V tomto směru nový experiment plně potvrdil předchozí zjištění o nadsvětelné rychlosti neutrin.

Star Trek na obzoru?

Je tedy možné otevřít šampaňské a oslavit prolomení hranice rychlosti světla? Nejen podle mého názoru by to nyní bylo ještě hodně předčasné. Tímto experimentem se vyřešil pouze jeden problém -  nejistota okolo délky pulzu. Všechny kalibrace i způsob časování byly však stejné jako v předchozím měření. Pokud se problém či chyba nachází tam, nový experiment ji neodstranil. Tím se potvrzení či vyvrácení výsledku z CNGS a OPERY jiným nezávislým experimentem stává ještě důležitějším.

Zvětšit obrázek

Posun času příletu oproti příletu světelného signálu u dvaceti zachycených neutrin. Modrou značkou je definován výsledek původního měření. (Zdroj arXiv 1109.4897).

Jednou z možností je nová analýza dat získaných experimentem MINOS, který zachycoval neutrina z laboratoře Fermilab. V tomto případě byla střední energie neutrin zhruba 3 GeV, tedy několikanásobně menší, což však není velký rozdíl. Původní analýza také určila rychlost neutrin o 5,1 tisícin procenta větší než rychlost světla. Ovšem s chybou 2,9 tisícin procenta. Protože jde o tzv. jednu standardní odchylku, je výsledek v podstatě shodný i s tvrzením, že se rychlost neutrina v rámci nejistoty měření neliší od rychlosti světla. Fyzici z experimentu MINOS doufají, že se jim pečlivější analýzou podaří nejistotu měření zmenšit. Pak bude záležet na tom, jestli hodnota rozdílu rychlosti neutrina a rychlosti světla zůstane stejná nebo se přiblíží nule. Experiment MINOS už nemůže nabrat nová data. To by však v budoucnu mohly detektory v japonské podzemní observatoři Kamioka, které zachycují neutrina produkovaná urychlovačem J-Parc (Tokai) v experimentu T2K (Tokai to Kamioka). Problém je, že se urychlovač nachází v oblasti Japonska zasažené v březnu zemětřesením. Rekonstrukce sice probíhá, ale Japonsko musí řešit řadu dalších problémů a nemůže nyní do vědeckých experimentů dát dostatek prostředků. Právě výsledky z OPERY by mohly přitáhnout pomoc a investice i ze zahraničí.

Pokud mohu vyslovit svůj osobní názor, tak stále zůstávám značně skeptický. Mým hlavním důvodem je rozpor s detekcí neutrin ze supernovy, který jsem popsal v minulém článku. Časování a další aspekty měření jsou na hranici technických možností a opravdu potřebují co nejpečlivější prověření. Ovšem fyzici v laboratořích CERN a Gran Sasso udělali obrovský kus práce. Další experimenty a testy budou probíhat příští rok. Ať už nakonec vše dopadne jakkoliv, jde o velmi zajímavou událost i fyziku, která posouvá hranice našeho poznání.

Poznámka: Plná informace je dostupná v nové verzi původního článku na serveru arxiv, kde je doplněna část věnovaná měření s krátkým pulzem.