Новый эксперимент, проведенный группой OPERA в Италии, дал основательное подтверждение существования нейтрино, движущихся с превышением скорости света. Ученые приняли решение опубликовать свои данные в рецензируемом научном журнале, хотя некоторые участники по-прежнему настаивают на проведении дополнительных проверок.

Сенсационные результаты эксперимента OPERA, в которых говорилось о регистрации нейтрино, двигавшихся со скоростью, превышающей скорость света, были обнародованы в конце сентября (смотри статьи 1, 2, 3) и вызвали массу откликов в среде ученых, поскольку

эти результаты нарушили второй постулат специальной теории относительности — самой знаменитой из физических теорий.

Напомним, что детектор OPERA, смонтированный в подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо, располагается примерно в 730 км (по прямой, проходящей сквозь земную кору) от источника мюонных нейтрино ν_μ — суперпротонного синхротрона Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Синхротрон разгоняет протоны до 400 ГэВ и подаёт их на графитовую мишень, где рождаются пионы и каоны, которые затем направляются в километровый тоннель и в полёте распадаются с образованием ν_μ.

Основной задачей OPERA всегда считалась регистрация нейтринных осцилляций — «возникновения» таонных нейтрино в подготовленных пучках мюонных. Однако экспериментальная схема с детектором, находящимся на большом расстоянии от источника частиц, хорошо подходит и для оценки скорости движения мюонных нейтрино. Чтобы обеспечить высокую точность такой оценки, в 2008 году в ЦЕРН и Лаборатории Гран-Сассо установили идентичные системы, состоящие из GPS-приёмника и цезиевых атомных часов.

В сентябре физики опубликовали первые данные, полученные с помощью новых систем. В подготовленной ими статье были рассчитаны два взаимосвязанных параметра: δt (разность времён прохождения 730-километрой дистанции, одно из которых вычисляется для света в вакууме, а другое — измеряется опытным путём для ν_μ) и (v – с)/с, относительная разность скоростей мюонного нейтрино и света в вакууме.

Величины δt и (v – с)/с оказались равны

δt = 60,7 ± 6,9 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс,

(v – с)/с = [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10^–5.

Поскольку эти значения положительны, нейтрино должны обгонять свет.

Два месяца, прошедших с момента публикации, исследователи потратили на проверку данных, отбраковав около 5% из зарегистрированных детектором OPERA 16 111 событий, которые учитывались при вычислении δt. Исключённые «ненадёжные» случаи взаимодействия нейтрино, как утверждается, могли искажать результаты, увеличивая расчётную скорость ν_μ.

Во-вторых, экспериментаторы заново рассмотрели известные источники погрешности и оценили их вклад в общую погрешность.

В-третьих, они уточнили величину огромной — микросекундной — задержки инструментального характера, на фоне которой в опыте определяется наносекундная разность времён.

За прошедшее время на сайте препринтов ArXiv.org появилось больше сотни статей, которые или предлагали теоретическое объяснение данного эффекта, противоречащего современной физике, или указывали на ошибку эксперимента. Ни одна из этих критических статей так и не оказалась настолько убедительной, чтобы можно было говорить об опровержении сенсации.

Вместе с тем и публикация коллаборации OPERA своей статьи в реферируемом журнале была отложена «в связи с решением набрать дополнительные данные».

Это и было сделано в начале ноября.

О результатах этих экспериментов говорится в вышедшем в пятницу пресс-релизе Национального института ядерной физики (Италия). Сообщается, что новая серия уточняющих экспериментов закончилась 6-го числа.

В дополненную и переработанную статью, которая готовится к публикации в Journal of High Energy Physics, также входит отчёт о дополнительной серии измерений, выполненных по модифицированной методике. Первый вариант методики многие, заметим, критиковали за то, что длительность каждого сеанса выведения протонов на мишень составляла сразу 10,5 мкс, и определить точное время рождения каждого нейтрино, провзаимодействовавшего в детекторе, было принципиально невозможно. Вследствие этого учёным приходилось работать не с отдельными событиями, отмеченными OPERA, а с их совокупностью: измеренное распределение моментов регистрации множества ν_μ сравнивали с ожидаемым распределением.

В модифицированном варианте опыта протоны выводились на мишень импульсами длительностью всего в 3 нс, ширина интервалов между которыми равнялась 524 нс, т.о. здесь удалось обойтись без статистического анализа. Это позволило связать обнаруживаемые детектором нейтрино с конкретными импульсами, упростить схему расчёта и избавиться от тех ошибок, которые могла давать исходная методика (таким образом, нейтрино, зарегистрированный в лаборатории Гран-Сассо, «приписывался» к определенном «сгустку», произведенному в CERN).

Работа в новом режиме формирования пучка нейтрино продолжалась с 22 октября по 6 ноября в рамках 20 запусков. За две недели на мишень попало около 4•10¹⁶ протонов, детектор зарегистрировал 35 событий, а отбор прошли только 20 из них. По этим двадцати экспериментальным точкам и была рассчитана величина δt = 62,1 ± 3,7 нс, которая хорошо согласуется с указанными выше.

Рис. 1. Схема эксперимента CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso).

После введения необходимых поправок значения δt и (v – с)/с снизились и составили

δt = 57,8 ± 7,8 (стат.) +8,3–5,9 (сист.) нс,

(v – с)/с = [2,37 ± 0,32 (стат.) +0,34–0,24 (сист.)]•10^–5.

Как видим, «старые» и «новые» результаты практически не различаются.

Исследователи подтвердили, что нейтрино добирались до итальянской лаборатории приблизительно на 60 нс раньше, чем это делал бы свет (погрешность измерения — 10 нс), что сопоставимо с изначальными результатами.

Группа также проверила статистический анализ, однако, несмотря на эти усилия, решение о подаче статьи (в сентябре этого не было сделано из-за спорности результата) не было единодушным. «Около четырех людей» (именно такое выражение употребляется в сообщении на сайте журнала Science) из 15 человек, не поставивших свои подписи под сентябрьским препринтом, изменили свое решение и одобрили отправленную в журнал статью, сообщил источник в коллаборации. Однако «четверо новых людей» решили не подписывать статью, которая была направлена в Journal of High Energy Physics (импакт-фактор порядка 6).

Рис. 2. Порядок выведения протонов на мишень в новой серии измерений и структура одного из протонных импульсов (иллюстрация OPERA Collaboration).

Таким образом, число несогласных сохранилось на уровне 15, а подписали отправленную статью около 180 ученых.

Самое главное возражение «воздержавшихся» состоит в том, что временное окно, в пределах которого OPERA регистрировала нейтрино в последнем эксперименте, составило 50 нс. Причем руководитель эксперимента по сверхсветовым нейтрино Дарио Аутьеро рассказал об этом только после завершения эксперимента. Изначально предполагалось, что ширина окна будет гораздо меньше — 10 нс. Это отличие не влияет на сам конечный результат, но, по мнению «воздержавшихся», выдает низкое качество всего экспериментального процесса.

Некоторые исследователи также недовольны тем, что лишь небольшая часть анализа, проведенного Аутьеро, была затем подвергнута независимой проверке. По их мнению, это оставляет возможность наличия неучтенных ошибок.

Рис. 3. Результаты измерений, проведённых по модифицированной методике. Средняя величина δt отмечена красным. (Иллюстрация OPERA Collaboration).

Вопрос о том, действительно ли OPERA видела нейтрино, движущиеся быстрее света, скорее всего, будет снят лишь проверкой этого факта независимым экспериментом. Между тем в OPERA «люди измотаны», говорит источник:

«Все должны быть убеждены, что результат достоверен, но пока они не могут этого сказать».

Француз Жак Мартино, глава Национального института ядерной физики и физики элементарных частиц, считает, что «исследование не завершено».

«Сейчас продолжают обсуждаться методики дополнительных проверок на предмет систематических ошибок. Одна из возможностей — синхронизация времени отсчета в CERN и Гран-Сассо без использования системы GPS», — говорит ученый.

«Окончательный ответ даст только другой похожий эксперимент, — говорит старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики и член коллаборации CMS БАК Андрей Крохотин. — Этим экспериментом будет MINOS — это эксперимент в США. Из Фермилаба (штат Иллинойс, там находится закрытый недавно коллайдер Тэватрон) летит пучок нейтрино, который регистрирует детектор, установленный в шахте в штате Миннесота. Это очень похоже на то, что делается в OPERA. До сих пор измерение скорости нейтрино не было для них приоритетом. Однако теперь, после работы OPERA, это для них одно из основных направлений. Но пока что у них нет возможности измерять время пролета так же точно, как и в OPERA: нужен апгрейд детектора. Они его вроде бы собираются провести в ближайшие полгода-год. Вот они-то, скорее всего, и поставят точку в этом вопросе».

Представители коллаборации MINOS уже заявили о том, что они планируют усовершенствовать используемую систему отсчёта и синхронизации времени и, возможно, завершат предварительную проверку результатов, полученных их коллегами, в начале следующего года.