Speciální teorie relativity
Nejdříve si připomeňme dva základní postuláty, z nichž vychází speciální teorie relativity. První je, že všechny souřadné soustavy pohybující se rovnoměrně přímočaře (označují se jako inerciální) jsou rovnocenné a pozorovatelé s nimi spojení budou registrovat stejné fyzikální zákonitosti a popíší je stejnými teoriemi a vztahy. Druhý postulát předpokládá, že rychlost světla (myslí se ve vakuu) je specifická a je ve všech zmíněných souřadných soustavách stejná. To vede k tomu, že transformace fyzikálních veličin z jedné souřadné soustavy do druhé musí probíhat pomocí Lorentzovy transformace, jež ležela v základech Maxwellovy teorie elektromagnetického pole. V Newtonově mechanice se používala Galileiho transformace, ale to je pochopitelné - rozdíly mezi nimi se projevují až při rychlostech blízkých rychlosti světla. Zatímco Maxwellova teorie musela popsat i samotné světlo, mechanika se zabývala objekty pohybujícími se nesrovnatelně menšími rychlostmi.
Speciální teorii relativity a tedy i zmíněné dva postuláty, na kterých je založena, nelze dodržet v případě, že rychlost objektu bude větší než rychlost světla. Tak dostáváme například často zmiňované narušení kauzality nebo další zádrhele, se kterými se jen těžko vypořádáváme. Pokud jsou podmínky ležící v základě speciální teorie relativity splněny, mluvíme o existenci Lorentzovy symetrie. Pokud splněny nejsou, dochází k jejímu narušení.
Až doposud všechny zákonitosti, které okolo sebe pozorujeme, splňovaly Lorentzovu symetrii. Je základním pilířem všech teorií, které jsou součástí standardního modelu hmoty a interakcí. Speciální teorie relativity velmi přesně popisuje pohyb částic jak na urychlovačích tak i jinde. Do dneška nic nenasvědčovalo tomu, že by se v nějakém případě Lorentzova symetrie narušovala a speciální teorie neplatila. I to je důvod, proč mezi fyziky vzbuzuje experiment CNGS s detektorem OPERA tolik pozornosti a spíše skepsi. Pokud by se jeho výsledky potvrdily, znamenalo by to, že se téměř jistě Lorentzova symetrie narušuje a speciální teorie relativity nemusí vždy platit.
Důsledky narušení Lorentzovy symetrie
To, že v přírodě nebylo zatím pozorováno nic, co by narušovalo Lorentzovu symetrii a odporovalo speciální teorii relativity, neznamená, že by se o takovou možnost teoretičtí fyzici nezajímali. Mezi první takové teorie patří i „meta-relativita“ Olexe-Myrona Bilaniuka a E. C. George Sudarshana z šedesátých let, která zavádí tachyony s imaginární hmotností, jejichž vztah mezi celkovou energií a rychlostí je popsatelný klasickým relativistickým vztahem. O této teorii nedávno na Oslovi vyšel článek Petra Kluvánka. Jen je třeba připomenout, že tato teorie nemůže popsat výsledky získané v experimentu CNGS. Hmotnost tachyonu by sice byla imaginární, ale velikost by byla stejná jako u normální částice. Tedy u neutrina extrémně malá, menší než 2 eV. Neutrina by tak byla sice nadsvětelná, ale extrémně blízko rychlosti světla. Rozdíl od rychlosti světla by byl o mnoho řádů menší, než pozoruje OPERA.
Lze nalézt řadu publikací, které popisují aspekty různých teorií narušujících Lorentzovu symetrii a popisujících pohyb částic s nadsvětelnými rychlostmi. Některé z nich předpokládají i jevy, které platnost Lorentzovy symetrie vylučují a z nichž vyplývá, že takové částice emitují různé typy záření. Jedním z nich je záření, které lze v jistém smyslu označit za Čerenkovovo záření ve vakuu. Připomeňme, že „klasické“ Čerenkovovo světlo vyzařují pouze nabité částice, které se v prostředí pohybují rychlostí větší, než je rychlost světla v tomto prostředí. V případě nadsvětelné částice, jejíž rychlost je větší než rychlost světla ve vakuu, mohou toto „neklasické“ Čerenkovovo záření emitovat i neutrální částice a tedy i neutrina. Velmi zjednodušeně řečeno je to dáno jejich magnetickými vlastnostmi vznikajícími díky kvantové elektrodynamice. Tento jev by však neměl být příčinou význačnějších ztrát energie. Ostatně i u klasického Čerenkovova jevu jsou ztráty energie vyzařující nabité částice velmi malé. Existuje však ještě jeden jev, který už vede k velmi znatelným energetickým ztrátám. Ten je založen na elektroslabé interakci a způsobuje, že částice pohybující se rychleji, než se mohou pohybovat elektrony, produkuje polní (i virtuální) částice elektroslabé interakce, tedy fotony a Z0 bosony. Bosony Z0 se pak rozpadají na páry částice a antičástice, nejčastěji neutrino a antineutrino, či elektron a pozitron. Ty odnášejí významnou část energie. Elektrony se ani při extrémní kinetické energii nadsvětelnými rychlostmi nepohybují, což máme potvrzeno řadou experimentů. Takže pro každou nadsvětelnou částici je podmínka pro toto záření splněna.
A právě ztráty způsobené tímto zářením pro případ nadsvětelných neutrin, které výsledky experimentu OPERA předpokládaly, propočítali Sheldon Glashow a Sidney Coleman (zde). A ukázali, že v jejich teorii, která předpokládá narušení Lorentzovy symetrie, vychází pro neutrina produkovaná v laboratoři CERN velice rychle ke ztrátě téměř 3/4 energie v jediném aktu produkce částic zmíněným zářením. To znamená, že do Gran Sasso by v případě nadsvětelných rychlostí a vysokých původních energií musela dorazit neutrina s velmi sníženými energiemi.
Prokázal ICARUS něco nového?
A právě skutečnost, že experiment ICARUS u neutrin přilétajících do Gran Sasso snížení energie nezaznamenal, podle tohoto týmu fyziků prokazuje, že se částice nepohybovaly nadsvětelnými rychlostmi. To vyvolalo novou mediální vlnu zpráv o nadsvětelných neutrinech. ICARUS je experiment stejné podzemní laboratoře, jakou využívá OPERA a stejně jako ona detekuje neutrina posílaná z CERNu. ICARUS využívá detektor založený na dvou časově projekčních komorách vyplněných tekutým argonem. Ty velmi přesně zobrazují dráhy nabitých částic vzniklých v interakcích neutrin s jádry, což umožňuje přesně určit energii a směr příletu původního neutrina. Takže pro fyziky, kteří na experimentu pracují, nebyl problém i z daleko menší statistiky zachycených neutrin určit jejich energetické spektrum a srovnat je s tím, které se předpovídá v případě, že neutrina nemají nadsvětelné rychlosti. A zjistili, že jejich spektrum je přesně takové a žádné ztráty energie vzniklé narušením Lorentzovy symetrie nepozorují.
Jistě jde o zajímavý výsledek, ale v principu nepřináší nic nového. V experimentu OPERA se také určovala energie neutrin, i když ne tak přesně jako u experimentu ICARUS. V dřívějších článcích (zde a zde), kde se podrobně popisuje měření rychlosti neutrina experimentem OPERA, bylo zmíněno, že se testovala i závislost rychlosti neutrin na jejich energii pomocí rozdělení do dvou energetických skupin a určení rychlosti pro každou z nich. Energie neutrin jsou i u OPERY tak velké, že vylučují existenci vyzařování popsaného Glashowem a Colemanem. Ale k potvrzení toho, že neutrina s vysokou energií toto záření nevysílají, se nemuselo čekat na výsledky experimentů OPERA či ICARUS. Již poměrně dlouhou dobu pracují experimenty SuperKamiokande a IceCube. Různé detektory neutrin, včetně detektoru SuperKamiokande a IceCube byly už na Oslovi popisovány (zde a zde). Oba tyto detektory registrují také neutrina s vysokou a velmi vysokou energií vznikající rozpadem částic produkovaných interakcemi částic kosmického záření s velmi vysokou energií s jádry atomů atmosféry. Superkamiokande detekuje neutrina s energií od 1 GeV do 1 000 GeV a IceCube pak neutrina s energií až po 16 000 GeV. Přičemž tato neutrina musela proletět dráhu dlouhou stovky až tisíce kilometrů napříč zeměkoulí. I u nich by se případná existence popsaného záření u částice porušující Lorentzovu symetrii měla projevit dramatickou ztrátou energie. Ta se však nepozoruje.
Máme také silnou evidenci, že v případě reálnosti nadsvětelné rychlosti neutrin zachycených detektorem OPERA musí jít o vlastnost závislou na energii. Už v dřívějších článcích jsem zdůrazňoval, že nejsilnějším argumentem pro chybu měření nadsvětelných rychlostí je zachycení neutrin ze supernovy 1987A. Jejich rychlost se od rychlosti světla lišila o tři řády méně v porovnání s výsledky experimentu OPERA. Tyto dva případy se sice v něčem liší – u supernovy šlo o elektronová antineutrina s energií zhruba o tři řády menší, než mají mionová neutrina produkovaná v CERNu. Ovšem, pokud dochází u neutrin k oscilacím, nemohou se rychlosti jejich různých typů dramaticky lišit. Takže podstatný rozdíl, který by mohl způsobit, že neutrina ze supernovy měla o tři řády menší rozdíl od rychlosti světla, musí spočívat v jejich rozdílné energii.
Poučení na závěr
Je tedy jasné, že o neexistenci záření produkovaného v případě narušení Lorentzovy symetrie částicí s nadsvětelnou rychlostí bylo možné rozhodnout na základě dat z detektoru OPERA i dalších dřívějších měření, aniž by bylo potřeba čekat na analýzy experimentu ICARUS. Ty je prostě jen potvrdily. Zároveň však ani všechna tato data dohromady nemohou úplně vyloučit správnost měření detektoru OPERA. Problém je, že záření je předpovídáno jednou z teorií obsahujících narušení Lorentzovy symetrie. Jsou však i teorie, které se snaží vysvětlit měření nadsvětelné rychlosti neutrin bez tohoto narušení. Neplatnost této symetrie a zpochybnění speciální teorie relativity by byl obrovský zásah do fyzikálního popisu světa. Pak by bylo potřeba situaci řešit hledáním úplně nové teorie. Jak bylo ukázáno, teoretici nad takovými možnostmi sice uvažují, ovšem ta správná může být odlišná od všeho, co se zatím objevilo v publikacích. Pochopitelně se mohou najít teorie, které nebudou obsahovat zmiňované záření nadsvětelných částic. Popisů může být nekonečně mnoho. O tom, který je správný pro náš svět a pravdivě popisuje jeho fyziku, rozhoduje pouze experiment. Takže bych doporučil zachovat chladnou hlavu a mediální vlnění vnímat s nadhledem. Počkat si na co nejpřesnější kontrolu sporných měření a hlavně na experimenty nové, které buď nadsvětelnou rychlost neutrin potvrdí nebo vyvrátí.
Diskuze:
