nauki ścisłe
Autor: Elżbieta Wieteska | dodano: 2012-07-10
Szybciej niż światło?

Detektor neutrin laboratorium w Gran Sasso. To tu stwierdzono większą od światła prędkość neutrin.(fot. CERN)

 

WiŻ: Co się właściwie stało 22 września?
Ewa Rondio:
Ogłoszono wynik pomiaru w eksperymencie OPERA, który wskazuje na rzecz zaskakującą - że być może neutrina poruszają się z większą prędkością niż światło. Ale to dopiero pierwsze podejście i będziemy chcieli ten wynik sprawdzić, zarówno prawidłowość tego pomiaru, jak i możliwość zrobienia niezależnego pomiaru gdzie indziej.

Jak wyglądał ten pomiar?
W CERN-ie jest produkowana wiązka neutrin - protony z akceleratora uderzają w tarczę, produkując mezony, a te się następnie rozpadają. W wyniku rozpadów powstają m.in. neutrina, które przez skorupę ziemską lecą do laboratorium w Gran Sasso. Żeby wyznaczyć prędkość neutrin, trzeba zmierzyć czas, jakiego potrzebują na pokonanie drogi z CERN do detektora w Gran Sasso i dokładnie zmierzyć długość tej drogi.

Detekcja neutrin nie jest chyba prosta, bo to cząstki dość nieuchwytne?
Owszem. Ponieważ prawdopodobieństwo oddziaływania neutrina jest bardzo małe, aby zaistniała jakakolwiek szansa ich rejestracji, trzeba dysponować dostatecznie dużym detektorem i mnóstwem neutrin.

Ile czasu trwał ten eksperyment?
Trzy lata - od 2009 do 2011 r. Dane były zbierane około 150 dni w roku, a neutrina wysyłane w impulsach 10-mikrosekundowych. Pomiar jest dwuetapowy - w Genewie mierzy się rozkład czasowy impulsu protonów padających na tarczę, gdzie są produkowane cząstki, z których potem powstają neutrina. W Gran Sasso natomiast mierzy się rozkład impulsu zarejestrowanych oddziaływań. Te dwa rozkłady powinny być takie same. Aby pomiar był wiarygodny, trzeba najpierw zsynchronizować czas mierzony w obydwu laboratoriach. Robi się to przez satelitę, za pomocą systemu GPS. Wykonuje się też dodatkowe testy - na przykład zamienia zegary, żeby sprawdzić, czy ich własności nie wprowadzają błędu.

Gdy już dokładnie wiemy, że pomiar czasu jest prawidłowy, sprawdzamy, o ile obydwa rozkłady są względem siebie przesunięte. I spodziewamy się, że to przesunięcie powinno odzwierciedlać prędkość neutrin. Okazało się, że ta różnica nie wynosi tyle, ile byśmy się spodziewali - wydawało się, że minimalnym przesunięciem może być precyzyjnie zmierzona odległość podzielona przez prędkość światła. Neutrina dolatywały jednak troszkę wcześniej. Czyli tak, jakby leciały z większą prędkością. Różnica, w stosunku do oczekiwanej, wyniosła średnio 60 ns. To jest wartość przekraczająca błąd pomiaru.

Jakie mogą być inne błędy systematyczne, prócz związanego z synchronizacją pomiaru?
Mogą je wnosić zjawiska związane z przechodzeniem sygnału GPS przez różne warstwy atmosfery lub ze zmianami odległości w wyniku oddziaływania Ziemia - Księżyc. Dużo różnych czynników można wymyślić. Jest też sprawa dokładności pomiaru odległości w zależności od temperatury, ale to także było sprawdzane - porównywano pomiary w zimie i w lecie, w dzień i w nocy.

A jaki błąd wnosi sam pomiar odległości?
Odległość jest mierzona za pomocą satelitów. To pomiar z dokładnością kilku centymetrów. Satelita może jednak określić precyzyjnie pozycję na powierzchni Ziemi, natomiast laboratoria mieszczą się pod Ziemią, trzeba więc również zmierzyć odległość od miejsca na powierzchni ziemi, do którego odnosił się satelita, do detektora. Te odległości wyznaczano metodą triangulacji. Detektor w Gran Sasso mieści się w wykutej w skale komorze. Dojeżdża się do niego przez tunel prowadzący z autostrady. Trzeba więc było zmierzyć odległość wzdłuż tunelu, no i kawałek w bok. Dokładność tego pomiaru to około 20 cm. A teraz dla porównania - te 60 ns różnicy przekłada się na około 18 m. Ale na pewno trzeba jeszcze wszystko dokładnie sprawdzić. A przede wszystkim dokonać niezależnego pomiaru gdzie indziej.

Jaki byłby idealny eksperyment sprawdzający? Najlepiej byłoby chyba dokonać bezpośredniego porównania, wysyłając jednocześnie neutrina i światło?
Owszem, ale światła nie możemy wysłać pod ziemią, bo wbrew temu, co np. pisała włoska prasa, nie istnieje tunel między CERN-em a Gran Sasso. Natomiast można oczywiście spróbować zrobić taki pomiar, wysyłając sygnał przez satelity. Można też spróbować zrobić pomiar z inną strukturą wiązki i to jest rzecz, o której się w tej chwili myśli.

W dotychczasowych pomiarach impuls wysyłanych neutrin był długi - wynosił 10 µs. To znaczy czas, w którym protony produkują neutrina, był bardzo długi w porównaniu z przesunięciem - 10 µs wobec 60 ns. Zatem przesunięcie było liczone w bardzo długim rozkładzie i ważne były oddziaływania na początku i na końcu impulsu. Chcielibyśmy uzyskać inną wiązkę - taką, która daje bardzo krótki impuls, a potem długą przerwę. Wtedy byśmy wiedzieli, że jeżeli wystąpi oddziaływanie, to będziemy potrafili je przypisać do bardzo krótkiego impulsu wysyłanego z CERN-u. Każde oddziaływanie dostarczałoby nam równie ważnej informacji o czasie przelotu.

I czy taki pomiar państwo planują? Chyba można go wykonać w ramach eksperymentu OPERA?
To by można było zrobić i nawet jest w najbliższym czasie planowane, być może to kwestia dni. Choć wyniku, oczywiście, za parę dni nie można się spodziewać. Bo w tych bardzo krótkich impulsach w będziemy wysyłać mniej neutrin i trzeba będzie poczekać, aż zaobserwujemy wystarczającą liczbę oddziaływań. To będzie bardzo ważny test - ale tylko test metody pozyskiwania informacji o różnicy czasu, urządzenia natomiast będą te same.

Mówiąc o innych miejscach powtórzenia eksperymentu, co miała pani na myśli?
Są na świecie jeszcze dwie inne wiązki neutrin. Jedna w Stanach Zjednoczonych, gdzie w laboratorium Fermiego są one wysyłane do, również podziemnego, detektora MINOS. Tam zresztą wykonywano taki pomiar, ale precyzja pomiaru czasu była znacznie mniejsza. Najpierw trzeba więc poprawić dokładność. I nad tym się już pracuje. Druga wiązka jest w Japonii, w laboratorium J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). Trafia do słynnego detektora wodnego Super-Kamiokande, tylko że w tej chwili jest wyłączona. Laboratorium uległo uszkodzeniu w czasie trzęsienia ziemi w marcu tego roku i naprawa potrwa pewnie do końca roku.

W eksperymencie OPERA nie biorą udziału polscy naukowcy?
Nie, natomiast są Polacy w eksperymencie MINOS, który ewentualnie będzie teraz przeprowadzał sprawdzenia; duża polska grupa, z sześciu ośrodków, pracuje też w eksperymencie japońskim.

Czy po raz pierwszy neutrina sprawiły taką niespodziankę, czy zdarzyło się to już wcześniej?
Zdarzyło się w eksperymencie MINOS, ale ta różnica była niewielka, a jak już wspomniałam, błąd pomiaru czasu spory, więc wynik nie był znaczący. Mieliśmy też możliwość porównania prędkości światła i prędkości neutrin przy okazji wybuchu supernowej SN1987A. Neutrina dotarły wtedy kilka godzin przed światłem, ale jeśli uwzględnić drogę, ta różnica daje dużo mniejszą różnicę prędkości, niż to wynika z pomiaru w eksperymencie OPERA.

Gdyby różnica była podobna, dotarłyby znacznie wcześniej?
Tak, około cztery lata wcześniej, ale trzeba też brać pod uwagę przyjęty model wybuchu supernowej, a także fakt, że te neutrina miały znacznie mniejszą energię.

Dużo mniejszą?
Trzy rzędy wielkości.

A gdyby się potwierdziło, że neutrina rzeczywiście są szybsze od światła - czy musiałoby to oznaczać obalenie szczególnej teorii względności?
To zależy, najpierw trzeba byłoby dokładnie poznać to zjawisko. Są różne możliwości interpretacji, najpierw jednak trzeba mieć pewność, że coś takiego rzeczywiście zachodzi. Trzeba spokojnie czekać i sprawdzać. Dlatego zostały ogłoszone wyniki - aby niczego nie przegapić. A jak już będziemy wiedzieli, zastanowimy się, co dalej.


Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 11/2011 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
09/2019
08/2019
Kalendarium
Wrzesień
15
W 1857 r. niemiecki astronom Karl Theodor Robert Luther odkrył planetoidę (47) Aglaja.
Warto przeczytać
Dlaczego pobudka budzikiem szkodzi? Jak tańczą cząsteczki w porannej kawie? Czy smażąc jajecznicę na śniadanie, wzbogacamy ją o fluor? Tyle pytań, a jeszcze nawet nie wyszliśmy z domu!

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Elżbieta Wieteska | dodano: 2012-07-10
Szybciej niż światło?

Detektor neutrin laboratorium w Gran Sasso. To tu stwierdzono większą od światła prędkość neutrin.(fot. CERN)

 

WiŻ: Co się właściwie stało 22 września?
Ewa Rondio:
Ogłoszono wynik pomiaru w eksperymencie OPERA, który wskazuje na rzecz zaskakującą - że być może neutrina poruszają się z większą prędkością niż światło. Ale to dopiero pierwsze podejście i będziemy chcieli ten wynik sprawdzić, zarówno prawidłowość tego pomiaru, jak i możliwość zrobienia niezależnego pomiaru gdzie indziej.

Jak wyglądał ten pomiar?
W CERN-ie jest produkowana wiązka neutrin - protony z akceleratora uderzają w tarczę, produkując mezony, a te się następnie rozpadają. W wyniku rozpadów powstają m.in. neutrina, które przez skorupę ziemską lecą do laboratorium w Gran Sasso. Żeby wyznaczyć prędkość neutrin, trzeba zmierzyć czas, jakiego potrzebują na pokonanie drogi z CERN do detektora w Gran Sasso i dokładnie zmierzyć długość tej drogi.

Detekcja neutrin nie jest chyba prosta, bo to cząstki dość nieuchwytne?
Owszem. Ponieważ prawdopodobieństwo oddziaływania neutrina jest bardzo małe, aby zaistniała jakakolwiek szansa ich rejestracji, trzeba dysponować dostatecznie dużym detektorem i mnóstwem neutrin.

Ile czasu trwał ten eksperyment?
Trzy lata - od 2009 do 2011 r. Dane były zbierane około 150 dni w roku, a neutrina wysyłane w impulsach 10-mikrosekundowych. Pomiar jest dwuetapowy - w Genewie mierzy się rozkład czasowy impulsu protonów padających na tarczę, gdzie są produkowane cząstki, z których potem powstają neutrina. W Gran Sasso natomiast mierzy się rozkład impulsu zarejestrowanych oddziaływań. Te dwa rozkłady powinny być takie same. Aby pomiar był wiarygodny, trzeba najpierw zsynchronizować czas mierzony w obydwu laboratoriach. Robi się to przez satelitę, za pomocą systemu GPS. Wykonuje się też dodatkowe testy - na przykład zamienia zegary, żeby sprawdzić, czy ich własności nie wprowadzają błędu.

Gdy już dokładnie wiemy, że pomiar czasu jest prawidłowy, sprawdzamy, o ile obydwa rozkłady są względem siebie przesunięte. I spodziewamy się, że to przesunięcie powinno odzwierciedlać prędkość neutrin. Okazało się, że ta różnica nie wynosi tyle, ile byśmy się spodziewali - wydawało się, że minimalnym przesunięciem może być precyzyjnie zmierzona odległość podzielona przez prędkość światła. Neutrina dolatywały jednak troszkę wcześniej. Czyli tak, jakby leciały z większą prędkością. Różnica, w stosunku do oczekiwanej, wyniosła średnio 60 ns. To jest wartość przekraczająca błąd pomiaru.

Jakie mogą być inne błędy systematyczne, prócz związanego z synchronizacją pomiaru?
Mogą je wnosić zjawiska związane z przechodzeniem sygnału GPS przez różne warstwy atmosfery lub ze zmianami odległości w wyniku oddziaływania Ziemia - Księżyc. Dużo różnych czynników można wymyślić. Jest też sprawa dokładności pomiaru odległości w zależności od temperatury, ale to także było sprawdzane - porównywano pomiary w zimie i w lecie, w dzień i w nocy.

A jaki błąd wnosi sam pomiar odległości?
Odległość jest mierzona za pomocą satelitów. To pomiar z dokładnością kilku centymetrów. Satelita może jednak określić precyzyjnie pozycję na powierzchni Ziemi, natomiast laboratoria mieszczą się pod Ziemią, trzeba więc również zmierzyć odległość od miejsca na powierzchni ziemi, do którego odnosił się satelita, do detektora. Te odległości wyznaczano metodą triangulacji. Detektor w Gran Sasso mieści się w wykutej w skale komorze. Dojeżdża się do niego przez tunel prowadzący z autostrady. Trzeba więc było zmierzyć odległość wzdłuż tunelu, no i kawałek w bok. Dokładność tego pomiaru to około 20 cm. A teraz dla porównania - te 60 ns różnicy przekłada się na około 18 m. Ale na pewno trzeba jeszcze wszystko dokładnie sprawdzić. A przede wszystkim dokonać niezależnego pomiaru gdzie indziej.

Jaki byłby idealny eksperyment sprawdzający? Najlepiej byłoby chyba dokonać bezpośredniego porównania, wysyłając jednocześnie neutrina i światło?
Owszem, ale światła nie możemy wysłać pod ziemią, bo wbrew temu, co np. pisała włoska prasa, nie istnieje tunel między CERN-em a Gran Sasso. Natomiast można oczywiście spróbować zrobić taki pomiar, wysyłając sygnał przez satelity. Można też spróbować zrobić pomiar z inną strukturą wiązki i to jest rzecz, o której się w tej chwili myśli.

W dotychczasowych pomiarach impuls wysyłanych neutrin był długi - wynosił 10 µs. To znaczy czas, w którym protony produkują neutrina, był bardzo długi w porównaniu z przesunięciem - 10 µs wobec 60 ns. Zatem przesunięcie było liczone w bardzo długim rozkładzie i ważne były oddziaływania na początku i na końcu impulsu. Chcielibyśmy uzyskać inną wiązkę - taką, która daje bardzo krótki impuls, a potem długą przerwę. Wtedy byśmy wiedzieli, że jeżeli wystąpi oddziaływanie, to będziemy potrafili je przypisać do bardzo krótkiego impulsu wysyłanego z CERN-u. Każde oddziaływanie dostarczałoby nam równie ważnej informacji o czasie przelotu.

I czy taki pomiar państwo planują? Chyba można go wykonać w ramach eksperymentu OPERA?
To by można było zrobić i nawet jest w najbliższym czasie planowane, być może to kwestia dni. Choć wyniku, oczywiście, za parę dni nie można się spodziewać. Bo w tych bardzo krótkich impulsach w będziemy wysyłać mniej neutrin i trzeba będzie poczekać, aż zaobserwujemy wystarczającą liczbę oddziaływań. To będzie bardzo ważny test - ale tylko test metody pozyskiwania informacji o różnicy czasu, urządzenia natomiast będą te same.

Mówiąc o innych miejscach powtórzenia eksperymentu, co miała pani na myśli?
Są na świecie jeszcze dwie inne wiązki neutrin. Jedna w Stanach Zjednoczonych, gdzie w laboratorium Fermiego są one wysyłane do, również podziemnego, detektora MINOS. Tam zresztą wykonywano taki pomiar, ale precyzja pomiaru czasu była znacznie mniejsza. Najpierw trzeba więc poprawić dokładność. I nad tym się już pracuje. Druga wiązka jest w Japonii, w laboratorium J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). Trafia do słynnego detektora wodnego Super-Kamiokande, tylko że w tej chwili jest wyłączona. Laboratorium uległo uszkodzeniu w czasie trzęsienia ziemi w marcu tego roku i naprawa potrwa pewnie do końca roku.

W eksperymencie OPERA nie biorą udziału polscy naukowcy?
Nie, natomiast są Polacy w eksperymencie MINOS, który ewentualnie będzie teraz przeprowadzał sprawdzenia; duża polska grupa, z sześciu ośrodków, pracuje też w eksperymencie japońskim.

Czy po raz pierwszy neutrina sprawiły taką niespodziankę, czy zdarzyło się to już wcześniej?
Zdarzyło się w eksperymencie MINOS, ale ta różnica była niewielka, a jak już wspomniałam, błąd pomiaru czasu spory, więc wynik nie był znaczący. Mieliśmy też możliwość porównania prędkości światła i prędkości neutrin przy okazji wybuchu supernowej SN1987A. Neutrina dotarły wtedy kilka godzin przed światłem, ale jeśli uwzględnić drogę, ta różnica daje dużo mniejszą różnicę prędkości, niż to wynika z pomiaru w eksperymencie OPERA.

Gdyby różnica była podobna, dotarłyby znacznie wcześniej?
Tak, około cztery lata wcześniej, ale trzeba też brać pod uwagę przyjęty model wybuchu supernowej, a także fakt, że te neutrina miały znacznie mniejszą energię.

Dużo mniejszą?
Trzy rzędy wielkości.

A gdyby się potwierdziło, że neutrina rzeczywiście są szybsze od światła - czy musiałoby to oznaczać obalenie szczególnej teorii względności?
To zależy, najpierw trzeba byłoby dokładnie poznać to zjawisko. Są różne możliwości interpretacji, najpierw jednak trzeba mieć pewność, że coś takiego rzeczywiście zachodzi. Trzeba spokojnie czekać i sprawdzać. Dlatego zostały ogłoszone wyniki - aby niczego nie przegapić. A jak już będziemy wiedzieli, zastanowimy się, co dalej.