Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Брукхэвенской национальной лаборатории (США) показали, как Большой адронный коллайдер (БАК) можно использовать для проверки данных о сверхсветовых нейтрино.

Мюонные нейтрино ν_μ, движущиеся быстрее света в вакууме, были обнаружены в эксперименте OPERA, о чём мы сообщали в сентябре. Пучок частиц, отправляемых к детектору с расстояния в ~730 км, имел среднюю энергию в 17,5 ГэВ, и на этой энергии скорость ν_μ (v) превышала световую © приблизительно на 7,5 км/с. Если c принять за единицу, полученный результат можно переформулировать в виде δ = v² – 1 = 5•10–5.

Совсем недавно эта информация была подтверждена в дополнительной серии опытов. Теоретики, однако, не спешат признавать данные истинными, ссылаясь на то, что сотрудники коллаборации OPERA не зарегистрировали физические эффекты, сопутствующие сверхсветовому движению нейтрино.

К таким эффектам относится рассмотренное американцами Эндрю Коэном (Andrew Cohen) и Шелдоном Глэшоу (Sheldon Glashow) уменьшение энергии ν_μ за счёт испускания электрон-позитронных пар, аналогичного давно известному черенковскому излучению. По мнению учёных, этот процесс должен ограничивать энергию нейтрино, достигающих детектора OPERA, причём верхняя граница находится довольно далеко от указанного выше среднего значения — на уровне 12,5 ГэВ.

Другими словами, практически все нейтрино, движущиеся со скоростью, которая соответствует δ = 5•10^–5, будут подходить к детектору, сохранив не более 12,5 ГэВ энергии.

Рис. 1. Ёмкости для хранения криогенной жидкости, используемые в эксперименте ICARUS (фото ICARUS Collaboration).

Последнее утверждение противоречит не только измерениям OPERA, но и данным эксперимента ICARUS, который проводится в соседнем зале подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо и использует тот же пучок мюонных нейтрино.

В прошлом году детектор ICARUS, заполненный 760 тоннами сверхчистого жидкого аргона, проходил испытания, и реконструированный по их результатам спектр ν_μ не выявил искажений, о которых говорят Коэн и Глэшоу.

Кроме того, детектор мог бы прямо зарегистрировать предсказанные «черенковские» события типа

ν_μ → ν_μ + е⁺ + е^–,

но ничего подобного отмечено не было. Отсюда, по словам представителей ICARUS, следует, что величина δ не превышает 4•10^–8.

Рис. 2. Зависимость количества «черенковских» пар частиц, которые мог зарегистрировать детектор ICARUS в 2010 году, от величины δ. При δ = 5•10^–5 расчётное число электрон-позитронных пар превышает 2•10⁶. (Иллюстрация ICARUS Collaboration).

Авторы новой работы также планируют прямо регистрировать электроны и позитроны, испускаемые сверхсветовыми частицами. В качестве источника нейтрино с необходимыми (позволяющими рассчитывать на рождение электрон-позитронной пары в пределах детектора) энергиями физики предлагают использовать БАК: здесь в столкновениях протонов рождаются топ-кварки (и топ-антикварки), которые затем могут распадаться с образованием нейтрино.

Как показывают вычисления, нынешней энергии пучков протонов на коллайдере (3,5 ТэВ) и накопленной интегральной светимости должно хватить для проверки данных OPERA.

Г-да Коэн и Глэшоу называют методику, найденную их американскими коллегами, действенной, но сама задача по обработке большого массива данных БАК кажется им слишком сложной и трудоёмкой. Конечно, обнаружение искомых электрон-позитронных пар стало бы серьёзным аргументом в пользу сверхсветовых нейтрино, но более вероятный отрицательный результат лишь подтвердит уже имеющуюся информацию и не позволит установить, кто именно — коллаборация OPERA или теоретики — допустил ошибку.