2b. Hitrost nevtrinov ponovljen poskus

Nova fizikalna revolucija ali le napaka pri meritvi?

Če so meritve, v katerih so nevtrini hitrejši od svetlobe, točne, bo to eno največjih odkritij v fiziki.

Če lahko nevtrini, ti gradniki snovi z maso, ki je manjša od milijoninke mase elektrona, potujejo hitreje od svetlobe, kot so pokazale nedavne meritve, se utegne fizika, kot smo jo razumeli doslej, dodobra spremeniti. Smo na pragu izjemnega odkritja, ali gre zgolj za napako pri eksperimentu? Odgovor na to vprašanje bomo morda dobili šele leta 2013, ko bodo podobne meritve opravili še neodvisni eksperimenti v ZDA in na Japonskem. In kaj o tem menijo nekateri naši fiziki?

Najpreprostejši odgovor je ne

Najprej smo se obrnili na prof. dr. Marka Mikuža z ljubljanske fakultete za matematiko in fiziko ter Instituta Jožef Stefan, ki vodi slovenske raziskovalce pri kolaboraciji Atlas v Cernu. Ker je ‘najbližje’ eksperimentu Opera (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), je pojasnil, kako je potekalo drugo merjenje, ki so ga ponovili s časovno bolj strukturiranim protonskim curkom. »Protoni tvorijo množico pionov, ki ob razpadu v letu po nekaj sto nanosekundah tvorijo nevtrine. V prvotnem merjenju je bil curek protonov približno trapezoidne oblike in širok 10,5 mikrosekunde. Čas leta je, poenostavljeno rečeno, določal le začetek in konec pulza in dobljena časovna ločljivost je bila okoli 8 nanosekund (ns) pri zamiku 58 ns prezgodaj glede na pričakovani čas prihoda.«

Zadnji poskus so izvedli s protonskim curkom, kjer so bili protoni zbrani v štiri gruče, široke 3 ns, med katerimi je bil razmik 524 ns. Izmerili so sicer le dvajset prihodov nevtrinov v primerjavi z več kot 15.000 v prvotnem poskusu. Toda ločljivost zamika glede na pričakovani čas prihoda se je izboljšala za faktor dva na 4 ns in srednja vrednost zamika je 62 ns, torej v okviru ločljivosti nespremenjena glede na prvotno meritev, pojasnjuje Mikuž.

So torej nevtrini vendarle lahko hitrejši od svetlobe? »Najpreprostejši odgovor je seveda – ne. Lahko sumimo, da obstaja skrita napaka v eksperimentu ali v njegovem tolmačenju. Tu sem res v škripcih. Dela dvesto kolegov, od uglednih profesorjev do prodornih doktorskih študentov, ki so prav gotovo storili vse, da bi tako napako našli, ne morem zanemariti. Če bi moral izbirati vir napake, bi najbolj sumil tisto, kar najmanj poznam: to je absolutna umeritev časa na obeh lokacijah, ki sta 730 kilometrov narazen. Dve skupini z uglednih švicarskih in nemških državnih metroloških inštitutov sta pri usklajevanju ur prišli do rezultatov, ki sta se razlikovala le za dve nanosekundi, kar je upoštevano v napaki meritve. A ker ne gre le za časovno razliko, temveč za absolutno umeritev ur na obeh lokacijah, obstaja možnost skupne sistematske napake, ki jo je na ta način nemogoče oceniti. Kljub neodvisnosti obeh meritev inštituta namreč pri njej uporabljata podobne metode. Treba je vedeti, da izmerjena razlika 60 ns lahko nastane v 12 metrih kabla ali v nekaj taktih hitrega procesorja. Ideja, da bi časovno razliko neodvisno izmerili še s propagacijo signala iz Cerna do Gran Sassa po optičnih vlaknih, se mi zato zdi vredna vsega truda. Načelo o hitrosti svetlobe kot eden dveh temeljev posebne teorije relativnosti se le zdi preveč sveto, da bi ga lahko zavrgli na podlagi še ne do konca preverjenega poskusa,« pravi Marko Mikuž.

Predobro, da bi bilo res

Astrofizik dr. Anže Slosar, ki trenutno raziskuje v ameriškem državnem laboratoriju Brookhaven, je vselej neposreden. »Saj veste, kako pravijo: če se sliši predobro, da bi bilo resnično, potem verjetno ni. Fizikalna intuicija mi pravi, da rezultat skoraj gotovo ni pravi. Delci, ki gredo hitreje od svetlobe, bi povzročili cel kup zagat, iz katerih se je zelo težko izvleči. Najhujša med njimi je kavzalnost. Če so nevtrini hitrejši od svetlobe, pomeni, da obstaja inercialni sistem, v katerem so bili detektirani, preden so bili poslani. Poleg tega smo že videli nevtrine iz supernov, pa nismo opazili, da bi šli hitreje od svetlobe. Res pa je, da so ti nevtrini drugačne vrste in nižjih energij. Hkrati pa je meritev razmeroma preprost eksperiment: koliko časa nevtrino potrebuje, da prepotuje 730 km? Za moderno fiziko je 60 ns relativno dolg čas in kalibracije meritve so bile neodvisno preverjene. Mogoče gre za konceptualno napako v sinhronizaciji ur (pri prenašanju ur v gravitacijskem potencialu je potrebna previdnost), ki so jo spregledali tako raziskovalci pri eksperimentu Opera kot nemški inštitut za metrologijo, ki je kalibracijo preveril. Počakati bo treba na neodvisne meritve v ZDA (Fermilab) in na Japonskem (T2K). Če bodo potrjene, bo to pomenilo novo revolucijo v fiziki, primerljivo z Einsteinovo relativnostjo.«

To bi res pomenilo popolnoma novo področje v fiziki, se strinja njegova kolegica z UCD (University of California, Davis) dr. Maruša Bradač, vendar ponovljeni poskus ni dovolj. »Če je napaka v elektroniki samega eksperimenta ali pa v meritvi razdalje med Ženevo in Gran Sassom, se takšna napaka tudi pri ponovitvi ne bi pokazala. Počakati bo treba na neodvisno potrditev eksperimenta. Leta 1987 so astronomi že izmerili čas potovanja nevtrinov pri izbruhu supernove 1987A. Če so nevtrini za 60 nanosekund hitrejši od svetlobe na razdalji 730 kilometrov, bi nevtrini z obrobja naše galaksije, kjer se je to zgodilo, svetlobo prehiteli kar za štiri leta. Vendar je niso. Opazili so jih hkrati s svetlobo supernove (če smo povsem natančni, so nevtrini prišli nekaj ur prej, kar je razumljivo, ker potrebuje svetloba nekaj časa, da pride skozi zvezdo, nevtrini pa jo zapustijo brez interakcij). Prav tako je res, da so bili nevtrini iz supernove elektronski, medtem ko ima Opera opravka z mionskimi. Če mionski nevtrini res potujejo hitreje od svetlobe, zakaj se elektronski obnašajo drugače? Na te odgovore bo treba še počakati.«

Bo treba popravljati Einsteinovo teorijo?

»Ne vem,« odgovarja na naše vprašanje prof. dr. Janez Strnad, ki je s sedmimi knjigami o fizikih na približno 1500 straneh predstavil nekaj več kot 150 raziskovalcev. »Na trdni odgovor bo treba počakati do poskusa z enako zasnovo v drugem laboratoriju. Pričakujejo, da bodo pri njem opazovali signala dveh oddaljenih nevtrinskih merilnikov. Teorija je v fiziki uporabna, dokler ne nasprotuje izkušnjam. Morda bo treba posebno teorijo relativnosti za nakazani primer nadomestiti z boljšo teorijo. V gravitacijskem polju jo je že nadomestila splošna teorija relativnosti, v kateri c ni zgornja meja. Svetloba v praznem prostoru potuje s hitrostjo c. V prozorni snovi pa se pojavi razklon (disperzija). Valovanje, ki ga priredimo delcem, ima disperzijo v praznem prostoru. Lahko bi bila disperzija ‘nevtrinskega valovanja’ vpletena v izid poskusa Opera. Nevtrini (in antinevtrini) na druge delce delujejo le s šibko silo (interakcijo). Medtem ko so nevtrinom najprej priredili maso nič in hitrost c, so poskusi pokazali, da imajo zelo majhno maso in manjšo hitrist od c. Tako je kazalo doslej. Antinevtrini s supernove 1987A so od Magellanovega oblaka potovali kakih 168 tisoč let, pa niso izdatno prehiteli svetlobe. Pri poskusu Opera so potovali le četrtino stotine sekunde.«

Če bi se zares pokazalo, da se nevtrini in antinevtrini gibljejo z večjo hitrostjo kot c, to ne bi spremenilo temeljev fizike, ampak bi razkrilo dodatno posebnost šibke interakcije, dodaja prof. Strnad. Številni poskusi ob elektronskih in protonskih pospeševalnikih, namreč kažejo, da pri elektromagnetni in močni interakciji ni težav s c. Leta 1956 so odkrili, da se parnost (povezana z zrcaljenjem prostora) pri šibki interakciji ne ohrani, medtem ko se sicer ohrani. O takih možnostih so razpravljali teoretiki. Leta 2006 sta na primer Andrew Cohen in Sheldon Glashow predložila zelo posebno teorijo relativnosti, v kateri sta sprostila nekatere zahteve značilne za posebno teorijo relativnosti. »V fiziki bi se dogodilo manj sprememb, če bi ovrgli izid poskusa Opera. Na drugi strani pa so take spremembe fiziki večkrat pomagale narediti korak naprej. To za fizike ne bi bilo posebno težko, saj do svojih teorij ne gojijo ‘zvestobe’. Ravnajo se po izidih poskusov, če presodijo, da so dovolj trdni.«

Za lase privlečene razlage

Astrofizik prof. dr. Uroš Seljak z univerze Berkeley pravi, da je mogoče o eksperimentu povedati dve zadevi. Prva je ta, da je rezultat izjemno zanimiv. Druga pa, da je najverjetneje napačen. Nove meritve sicer potrjujejo septembrske, a to še ne pomeni, da so pravilne. Zanima ga, zakaj niso krajših nevtrinskih pulzov uporabili že septembra (prvotni eksperiment z dolgimi pulzi je namreč trajal tri leta). Pogreša tudi odgovor na vprašanje, zakaj ne pokažejo odvisnosti časovnega premika od energije nevtrinov? Običajno je hitrost odvisna od energije, in če bi bil časovni premik odvisen od energije, bi bilo to bolj prepričljivo, kot če ni. V nasprotnem primeru bi bila najenostavnejša razlaga, da so se pač zmotili pri določanju razdalje.

»Večina trenutnih teoretičnih razlag je precej za lase privlečenih. Med njimi je kršenje Lorentzove simetrije, ki pravi, da je hitrost svetlobe za vse enaka. Če to ni res, je lahko recimo nevtrino hitrejši od svetlobe. Večina fizikov te hipoteze ni pripravljena sprejeti. Nikakor pa ne moremo trditi, da nevtrini ne morejo potovati hitreje od svetlobe, če trenutne teorije tega ne morejo razložiti. Če bo rezultat potrjen, bo to eno največjih odkritij v fiziki in bo spodbudilo veliko dodatnega teoretičnega raziskovanja. A preden se to zgodi, bi rad videl še dodatne analize in seveda tudi neodvisne eksperimente v ZDA in na Japonskem,« pravi Uroš Seljak.

Kaj so nevtrini

Najstarejši nevtrini so po sedanjih teorijah nastali v prvi sekundi po velikem poku. To posredno kažejo meritve elektromagnetnega valovanja, ki napolnjuje vesolje. Ko je bilo staro 380.000 let, je bilo še vroče in gosto ter polno nevtrinov, ki jih je danes komaj odstotek. Najpogosteje prihajajo na Zemljo s Sonca, kjer se pri jedrskih reakcijah vodik zliva v helij, naše telo pa vsako sekundo prebode okoli trilijon teh solarnih nevtrinov. Nekaj nevtrinov nastane tudi po trku kozmičnih žarkov z jedri atomov v zgornjih plasteh atmosfere. To so atmosferski nevtrini, ki dosežejo površje Zemlje, vsako sekundo pa jih vsaj okoli tisoč prodre skozi naše telo. V fiziki osnovnih delcev obstajajo tri vrste nevtrinov: elektronski, mionski in tauonski. Ker tudi nevtrini oscilirajo, se lahko posamezna vrsta nevtrina spremeni v drugo. Tudi zato je količina (elektronskih) nevtrinov, ki dosežejo Zemljo s Sonca, dosti manjša od teoretično napovedane.