2a. So nevtrini hitrejši od svetlobe?

Izmerili hitrost nevtrinov, ki je večja od hitrosti svetlobe

Velikansko odkritje ali drobna napaka?

Pri eksperimentu OPERA so nevtrinom namerili hitrost, ki je za malenkost večja od hitrosti svetlobe v vakuumu. V primeru, da ne gre za napako, je to odkritje brez primere, saj bo popolnoma spremenilo fizikalno sliko sveta. Zaradi daljnosežnosti posledic je treba rezultat preveriti z neodvisnimi eksperimenti, še posebej, ker se ne ujema s skoraj sočasnim prihodom prvih nevtrinov in prve svetlobe iz supernove SN1987A.

Z mednarodnim dogovorom je osnovna časovna enota sekunda definirana z 9.192.631.770 nihaji svetlobe, ki jo izseva atom cezija-133 pri prehodu elektrona med dvema določenima nivojema. Osnovna dolžinska enota meter je določena z razdaljo, ki jo v vakuumu prepotuje svetloba v času 1/299.792.458 sekunde, zato je hitrost svetlobe co = 299.792,458 km/s definirana (določena z neskončno natančnostjo). V skladu s posebno teorijo relativnosti (PTR) je co največja hitrost, s katero je mogoče prenašati informacijo in energijo, telesa z maso pa co niti ne morejo doseči, lahko se ji le bolj ali manj približajo. Z večanjem energije elektronov v trkalniku LEP, predhodniku velikega hadronskega pospeševalnika LHC v evropskem laboratoriju za fiziko delcev CERN pri Ženevi, se je hitrost elektronov asimptotsko približevala hitrosti co, nikoli pa je ni dosegla: ko je trkalnik obratoval pri največji energiji, je bila hitrost elektronov le za 1,7 mm/s manjša od co. Ta rezultat in rezultati številnih drugih znanstvenih poskusov, ki se skladajo z napovedmi PTR, so teoriji prislužili status splošno sprejete resnice, ki je uporabna tudi v vsakdanjem življenju: brez upoštevanja PTR bi se natančnost sistema globalnega določanja lege (GPS) opazno poslabšala že v desetih minutah, v nekaj dnevih pa bi sistem določal lego z napako več kot 10 kilometrov.

Kljub nedvomnim uspehom in pomenu PTR pa velja splošno pravilo, da še tako veliko število poskusov teorije ne more dokončno potrditi, medtem ko jo lahko že en sam poskus ovrže. Zato je prejšnji petek v javnosti odjeknila novica s tiskovne konference v Cernu, da so znanstveniki pri eksperimentu OPERA izmerili hitrost nevtrinov, ki je večja od hitrosti svetlobe. Meritev, ki je natančno opisana v javno dostopnem poročilu (http://arxiv.org/abs/1109.4897), je Dario Autiero z inštituta IPNL v Lyonu, koordinator raziskav pri eksperimentu OPERA, isti dan predstavil tudi na seminarju v nabito polnem Cernovem avditoriju (http://cdsweb.cern.ch/record/1384486).

Kaj so nevtrini

Nevtrini spadajo med osnovne delce, gradnike sveta. So električno nevtralni in imajo manj kot milijoninko elektronske mase. Z okolico jih povezuje le tako imenovana šibka sila (interakcija), zato je zanje vsaka snov skoraj popolnoma prozorna. Nevtrinski žarek za eksperiment OPERA ustvarijo v Cernu: protone (vodikova jedra), ki jih pospešijo do energije 400 GeV, zberejo v pljuske in usmerijo v tarčo iz grafitnih žic (1 GeV je energija, ki v skladu z znamenito Einsteinovo enačbo E=mco2 približno ustreza masi enega vodikovega atoma). Za tarčo je nameščena kilometrska cev, po kateri letijo produkti trkov protonskih pljuskov z ogljikovimi jedri v tarči in pri tem razpadajo, med drugim tudi vnevtrine. V snovi na koncu cevi se vsi delci ustavijo, le nevtrini brez težav potujejo naprej skozi zemeljsko skorjo proti 732 km oddaljenem detektorju OPERA v podzemnem laboratoriju Gran Sasso (LNGS) v Apeninih. V izjemno redkih primerih, ko kateri izmed nevtrinov pred detektorjem ali v njem interagira s snovjo in se pri tem na primer spremeni v mion (elektronu podoben nabiti delec), slednjega detektor zazna. V letih 2009–2011 so izmerili okoli 16.000 takih in podobnih dogodkov, za kar so morali na tarčo v Cernu ustreliti okoli 1020 protonov.

Hitrost nevtrinov so določili kot razmerje med prepotovano potjo nevtrinov in časom potovanja. Osnovni princip meritve je očitno zelo preprost, težave pa se, kot ponavadi, skrivajo v podrobnostih izvedbe: ključna pri tem je bila izboljšava sistema za sinhronizacijo ur v Cernu in LNGS leta 2008, ko so v sodelovanju s švicarskim in nemškim inštitutom za metrologijo (METAS in PTB) dotedanjo negotovost sinhronizacije 100 nanosekund (ns) zmanjšali na vsega 1 ns. Poleg tega so geodeti z univerze La Sapienza v Rimu in iz geodetske službe v Cernu določili razdaljo med Cernom in LNGS na 20 cm(!) natančno. Pri obojem so si pomagali s sistemom GPS.

Analiza izmerjenih časov preleta nevtrinov od Cerna do LNGS kaže na to, da so nevtrini potovali s hitrostjo, ki je za okoli 7,4 km/s večja od hitrosti svetlobe v vakuumu, pri čemer je skupna negotovost meritve okoli ±1,2 km/s. Največji delež k skupni negotovosti prispeva nenatančnost pri določanju časa nastanka nevtrinov, ki je posledica časovne razmazanosti protonskih pljuskov ob trku s tarčo.

Če je rezultat pravilen, gre za odkritje brez primere, saj hkrati ovrže posebno teorijo relativnosti in standardni model (teorijo osnovnih gradnikov snovi in interakcij med njimi), obenem pa odpre vrata številnim špekulacijam, ki so imele do zdaj svoje mesto le v znanstveni fantastiki. Pomena rezultata se pri Operi dobro zavedajo in se namenoma odpovedujejo vsakršnim poskusom, da bi za pojav ponudili tudi teoretično razlago. Namesto tega vzrok za izmerjeno anomalijo še naprej iščejo v morebitni napaki meritve. Izmerjeno preseganje svetlobne hitrosti ustreza napaki 20 metrov pri določanju razdalje med krajem nastanka in krajem detekcije nevtrinov. To je stokrat toliko, kolikor so natančnost svoje meritve ocenili geodeti, ki imajo s podobnimi meritvami dolgoletne izkušnje, zato ta možnost ni zelo verjetna. Po drugi strani odstopanje ustreza napaki 60 ns pri meritvi časa, kar sicer ni nemogoče, vendar kljub večkratnim neodvisnim preverjanjem take napake v svojih postopkih niso našli. Poudarjajo, da bodo veseli tudi vsakega zunanjega namiga glede morebitnega vzroka napake.

Evforija je odveč

Če člani skupine OPERA ne bodo našli napake v svojih meritvah, bo rezultat treba preveriti z neodvisnimi meritvami. V nekaj letih sta podobni meritvi sposobna opraviti eksperiment MINOS v ZDA in eksperiment T2K na Japonskem. Do takrat pa je vsakršna evforija odveč, še posebej, ker je nadsvetlobno hitrost nevtrinov zelo težko uskladiti s skoraj sočasnim prihodom prvih nevtrinov in prve svetlobe iz supernovo SN1987A v Velikem Magelanovem oblaku leta 1987, in to kljub različnim energijam nevtrinov iz SN1987A in iz Cernovega nevtrinskega žarka (izraz supernova označuje eksplozijo zvezde; supernova v nekaj tednih izseva ogromno energije v obliki nevtrinov in elektromagnetnega valovanja). Povečan nevtrinski fluks na Zemlji, ki so ga ob supernovi izmerili eksperimenti Kamiokande II, IMB in Baksan, je le za okoli tri ure prehitel prihod prve vidne svetlobe. Tolikšno prehitevanje nevtrinov je zgolj posledica tega, da so nevtrini zapustili supernovo pred svetlobo, če pa bi nevtrini potovali za nekaj kilometrov na sekundo hitreje od svetlobe, bi prehiteli svetlobo za več let, saj je SN1987A od Zemlje oddaljena okoli 168.000 svetlobnih let (svetlobno leto je razdalja, ki jo v enem letu prepotuje svetloba).

Dr. Tomaž Podobnik Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Institut Jožef Stefan, Ljubljana

 

Shema poti, ki jo prepotujejo nevtrini iz Cerna do mesta detekcije v podzemskem laboratoriju Gran Sasso (LNGS) v Italiji.