Измерения скорости нейтрино

Измерения скорости нейтрино проводились в рамках тестов специальной теории относительности для определения массы нейтрино и . Астрономические исследования исследуют, одновременно ли свет и нейтрино, испускаемые из удаленного источника, прибывают на Землю одновременно. Наземные поиски включают измерения времени полета с использованием синхронизированных часов и прямое сравнение скорости нейтрино со скоростью других частиц.

Поскольку установлено, что нейтрино обладают массой, скорость нейтрино с кинетическими энергиями от МэВ до ГэВ должна быть несколько ниже скорости света в соответствии со специальной теорией относительности . Существующие измерения обеспечили верхний предел отклонений от скорости света примерно в 10 раз. ⁻⁹ или несколько частей на миллиард . В пределах погрешности это соответствует отсутствию отклонений вообще.

Обзор

Скорость нейтрино как функция релятивистской кинетической энергии с массой нейтрино <0,2 эВ/с².

Энергия	10 эВ	1 кэВ	1 МэВ	1 ГэВ	1 ТэВ
$|v-c|/c$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-4}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-8}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-14}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-20}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-26}$

долгое время предполагалось В рамках стандартной модели физики элементарных частиц , что нейтрино не имеют массы. , они должны двигаться точно со скоростью света Таким образом, согласно специальной теории относительности . Однако с момента открытия осцилляций нейтрино предполагается, что они обладают некоторой небольшой массой. Таким образом, они должны двигаться немного медленнее света, иначе их релятивистская энергия стала бы бесконечно большой. Эта энергия определяется формулой:

$E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$,

где v — скорость нейтрино, а c — скорость света. Масса нейтрино m в настоящее время оценивается как 2 эВ /с² и, возможно, даже ниже 0,2 эВ/с². Согласно последнему значению массы и формуле релятивистской энергии, относительная разница в скоростях света и нейтрино меньше при высоких энергиях и должна возникать, как показано на рисунке справа.

Проведенные к настоящему времени времяпролетные измерения исследовали нейтрино с энергией выше 10 МэВ. Однако различия скоростей, предсказанные теорией относительности при таких высоких энергиях, не могут быть определены с нынешней точностью измерения времени. Причина, по которой такие измерения все еще проводятся, связана с теоретической возможностью того, что при определенных обстоятельствах могут возникнуть значительно большие отклонения от скорости света. Например, было высказано предположение, что нейтрино могут быть своего рода сверхсветовыми частицами, называемыми тахионами . хотя другие критиковали это предложение. Хотя гипотетические тахионы считаются совместимыми с лоренц-инвариантностью , сверхсветовые нейтрино также изучались в рамках, нарушающих лоренц-инвариантность, что мотивировано спекулятивными вариантами квантовой гравитации , такими как расширение стандартной модели , согласно которому могут возникать нейтринные осцилляции, нарушающие лоренц-инвариант . Помимо измерений времени пролета, эти модели также позволяют косвенно определять скорость нейтрино и выполнять другие современные поиски нарушений Лоренца . Все эти эксперименты подтвердили лоренц-инвариантность и специальную теорию относительности.

Фермилаб (1970-е)

Фермилаб провел в 1970-х годах серию наземных измерений, в которых скорость мюонов сравнивалась со скоростью нейтрино и антинейтрино с энергиями от 30 до 200 ГэВ. Узкополосный пучок нейтрино Фермилаба генерировался следующим образом: протоны с энергией 400 ГэВ попадают в мишень и вызывают образование вторичных пучков, состоящих из пионов и каонов . Затем они распадаются в вакуумированной трубке распада длиной 235 метров. Оставшиеся адроны были остановлены вторичной свалкой, так что только нейтрино и некоторые энергичные мюоны могли проникнуть через земной и стальной щит длиной 500 метров и добраться до детектора частиц .

Поскольку протоны передаются сгустками длительностью в одну наносекунду с интервалом 18,73 нс, можно было определить скорость мюонов и нейтрино. Разница в скоростях привела бы к удлинению сгустков нейтрино и смещению всего временного спектра нейтрино. Сначала сравнивались скорости мюонов и нейтрино. Позже наблюдались и антинейтрино. Верхний предел отклонений от скорости света составлял:

${\frac {|v-c|}{c}}<4\times 10^{-5}$.

Это соответствовало скорости света в пределах точности измерения ( уровень достоверности 95% ), а также при такой точности не удалось обнаружить энергетической зависимости скоростей нейтрино.

Сверхновая 1987А

Наиболее точное согласие со скоростью света (по состоянию на 2012 г.) ) была определена в 1987 году путем наблюдения электронных антинейтрино с энергиями от 7,5 до 35 МэВ, возникших от сверхновой 1987А на расстоянии 157 000 ± 16 000 световых лет . Верхний предел отклонений от скорости света составлял:

${\frac {|v-c|}{c}}<2\times 10^{-9}$,

таким образом, более чем в 0,999999998 раз превышает скорость света. Это значение было получено путем сравнения времен прихода света и нейтрино. Разница примерно в три часа объяснялась тем обстоятельством, что практически невзаимодействующие нейтрино могли беспрепятственно пройти сверхновую, тогда как свету требовалось больше времени.

МИНОС (2007)

Первое наземное измерение абсолютного времени прохождения было проведено MINOS (2007) в Фермилабе. Для генерации нейтрино (так называемый NuMI пучок ) они использовали главный инжектор Фермилаба, с помощью которого протоны с энергией 120 ГэВ направлялись к графитовой мишени 5–6 порциями на один разлив. Возникшие мезоны распались в туннеле распада длиной 675 метров на мюонные нейтрино (93%) и мюонные антинейтрино (6%). Время пробега определялось путем сравнения времен прихода на ближний и дальний детектор MINOS, отстоящих друг от друга на 734 км. Часы обеих станций были синхронизированы по GPS , а длинные оптические волокна . для передачи сигнала использовались

Они измерили раннее прибытие нейтрино примерно за 126 нс. Таким образом, относительная разница скоростей составила $\scriptstyle (5.1\pm 2.9)\times 10^{-5}$ (доверительный предел 68%). Это соответствует скорости света в 1,000051±29 раз, то есть, очевидно, быстрее света. Основным источником ошибок были неопределенности в задержках оптоволокна. Статистическая значимость этого результата составляла менее 1,8 σ , поэтому она не была значимой, поскольку для признания научного открытия требуется 5σ.

При уровне достоверности 99% было дано

$-2.4\times 10^{-5}<{\frac {v-c}{c}}<12.6\times 10^{-5}$,

скорость нейтрино больше 0,999976c и ниже 1,000126c. Таким образом, результат также совместим с досветовой скоростью.

ОПЕРА (2011, 2012)

Аномалия

Основная статья: Нейтринная аномалия, скорость которой превышает скорость света

В эксперименте OPERA энергией 17 ГэВ нейтрино с использовались , расщепленные на выбросы протонов длиной 10,5 мкс, генерируемые в CERN , которые поразили цель на расстоянии 743 км. Затем рождаются пионы и каоны, которые частично распадаются на мюоны и мюонные нейтрино ( CERN Neutrinos to Gran Sasso , CNGS). Нейтрино отправились дальше в Национальную лабораторию Гран-Сассо (LNGS), расположенную в 730 км, где расположен детектор OPERA. GPS использовался для синхронизации часов и определения точного расстояния. Кроме того, для передачи сигнала на СПГ использовались оптические волокна. Временное распределение экстракций протонов статистически сравнивалось примерно с 16 000 нейтринными событиями. OPERA измерила раннее прибытие нейтрино примерно за 60 наносекунд по сравнению с ожидаемым прибытием со скоростью света, что указывает на то, что скорость нейтрино превышает скорость света. В отличие от результата MINOS, отклонение составило 6σ и, следовательно, было значительным.

Чтобы исключить возможные статистические ошибки, ЦЕРН создал сгруппированные пучки протонов в период с октября по ноябрь 2011 года. Выделение протонов было разделено на короткие сгустки по 3 нс с интервалом 524 нс, так что каждое нейтринное событие можно было напрямую связать с сгустком протонов. Измерение двадцати нейтринных событий снова дало раннее вступление около 62 нс, что согласуется с предыдущим результатом. Они обновили свой анализ и увеличили значимость до 6,2σ.

В феврале и марте 2012 года было показано, что в экспериментальном оборудовании были допущены две ошибки: ошибочное подключение кабеля к компьютерной карте, из-за которого нейтрино появлялись быстрее, чем ожидалось. Другой был осциллятором, не соответствующим его техническим характеристикам, из-за чего нейтрино появлялись медленнее, чем ожидалось. Затем сравнивалось время прибытия космических мюонов высоких энергий на OPERA и на расположенный рядом детектор LVD в период с 2007 по 2008, 2008–2011 и 2011–2012 годы. Выяснилось, что в период с 2008 по 2011 год ошибка разъема кабеля вызывала отклонение примерно 73 нс, а ошибка генератора - ок. 15 нс в противоположном направлении. Это, а также измерение скорости нейтрино, соответствующей скорости света, проведенное коллаборацией ICARUS (см. ICARUS (2012) ), показало, что нейтрино, вероятно, не быстрее света.

Конечный результат

Наконец, в июле 2012 года коллаборация OPERA опубликовала новый анализ своих данных за 2009–2011 годы, который включал упомянутые выше инструментальные эффекты и получил границы разницы во времени прибытия (по сравнению со скоростью света):

$\delta t=6.5\pm 7.4\ (\mathrm {stat.} ){\scriptstyle {+8.3 \atop -8.0}}\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

и границы разности скоростей:

${\frac {v-c}{c}}=(2.7\pm 3.1\ (\mathrm {stat.} ){\scriptstyle {+3.4 \atop -3.3}}\ (\mathrm {sys.} ))\times 10^{-6}$.

Также соответствующий новый анализ сгруппированного луча в октябре и ноябре 2011 г. подтвердил этот результат:

$\delta t=-1.9\pm 3.7\ (\mathrm {stat.} )$ наносекунды

Хотя при крайней погрешности эти результаты все же допускают сверхсветовые скорости нейтрино, они преимущественно согласуются со скоростью света, и $10^{-6}$ Оценка разницы скоростей на один порядок точнее, чем предыдущие наземные измерения времени полета.

СПГ (2012)

Продолжая измерения OPERA и ICARUS, LNGS эксперименты Borexino , LVD , OPERA и ICARUS провели новые испытания в период с 10 по 24 мая 2012 года, после того как ЦЕРН провел еще один повторный эксперимент с группированным лучом. Все измерения соответствовали скорости света. Пучок мюонных нейтрино с энергией 17 ГэВ состоял из 4 партий на экстракцию, разделенных ~300 нс, а партии состояли из 16 сгустков, разделенных ~100 нс, с шириной сгустка ~2 нс.

Борексино

Коллаборация Borexino проанализировала повторение группированных лучей в октябре – ноябре. 2011 г. и второй повтор в мае 2012 г. По данным 2011 года они оценили 36 нейтринных событий и получили верхний предел различий во времени полета:

$\delta t=-6.5\pm 7\ (\mathrm {stat.} )\pm 6\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды.

Для измерений в мае 2012 года они усовершенствовали свое оборудование, установив новую аналоговую систему запуска по малому джиттеру и геодезический GPS-приемник, соединенный с рубидионными часами. Они также провели независимые высокоточные геодезические измерения совместно с LVD и ICARUS. Для окончательного анализа можно использовать 62 нейтринных события, что дает более точный верхний предел различий во времени полета.

$\delta t=0.8\pm 0.7\ (\mathrm {stat.} )\pm 2.9\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

соответствующий

${\frac {|v-c|}{c}}<2.1\times 10^{-6}$ (90% КЛ).

LVD

Коллаборация LVD впервые проанализировала повторный запуск луча в октябре – ноябре. 2011. Они оценили 32 нейтринных события и получили верхний предел разницы во времени полета:

$\delta t=3.1\pm 5.3\ (\mathrm {stat.} )\pm 8\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды.

В измерениях в мае 2012 года они использовали новую систему синхронизации LNGS коллаборации Borexino и геодезические данные, полученные LVD, Borexino и ICARUS (см. выше). Они также обновили свои счетчики сцинтилляций и триггер . Для майского анализа было использовано 48 нейтринных событий (при энергиях выше 50 МэВ средняя энергия нейтрино составляла 17 ГэВ), что улучшило верхний предел различий во времени полета.

$\delta t=0.9\pm 0.6\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.2\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

соответствующий

$-3.8\times 10^{-6}<{\frac {v-c}{c}}<3.1\times 10^{-6}$ (99% КЛ).

ИКАРУС

После публикации анализа повторного запуска луча за октябрь – ноябрь. В 2011 году (см. выше ) сотрудничество ICARUS также предоставило анализ майского повтора. Они существенно улучшили свою собственную внутреннюю систему синхронизации и систему синхронизации CERN-LNGS, использовали геодезические измерения LNGS вместе с Borexino и LVD, а также использовали систему синхронизации Borexino. Для окончательного анализа было оценено 25 нейтринных событий, что позволило определить верхний предел различий во времени полета:

$\delta t=0.18\pm 0.69\ (\mathrm {stat.} )\pm 2.17\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

соответствующий

${\frac {v-c}{c}}=(0.7\pm 2.8\ (\mathrm {stat.} )\pm 8.9\ (\mathrm {sys.} ))\times 10^{-7}$.

Скорости нейтрино, превышающие скорость света более чем $1.6\times 10^{-6}c$ (95% CL) исключены.

ОПЕРА

После корректировки первоначальных результатов OPERA также опубликовала измерения за май 2012 года. Для оценки нейтринных событий использовалась дополнительная независимая система синхронизации и четыре различных метода анализа. Они определили верхний предел разницы во времени полета легких и мюонных нейтрино (от 48 до 59 нейтринных событий в зависимости от метода анализа):

$\delta t=0.6\pm 0.4\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.0\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

и между легкими и антимюонными нейтрино (3 нейтринных события):

$\delta t=1.7\pm 1.4\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.2\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

соответствует скорости света в диапазоне

$-1.8\times 10^{-6}<{\frac {v-c}{c}}<2.3\times 10^{-6}$ (90% КЛ).

МИНОС (2012)

Старая система хронометража

Сотрудничество MINOS продолжило свои измерения скорости в 2007 году. Они изучили данные, собранные за семь лет, улучшили систему синхронизации GPS и понимание задержек электронных компонентов, а также использовали модернизированное оборудование для измерения времени. Нейтрино охватывают разлив длительностью 10 мкс , содержащий 5-6 партий. Анализы проводились двумя способами. Во-первых, как и при измерении 2007 года, данные дальнего детектора статистически определялись данными ближнего детектора («подход полного разлива»):

$\delta t=-18\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

Во-вторых, были использованы данные, связанные с самими партиями («подход обернутого разлива»):

$\delta t=-11\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

Это согласуется с нейтрино, движущимися со скоростью света, и существенно улучшает их предварительные результаты 2007 года.

Новая система хронометража

Для дальнейшего повышения точности была разработана новая система синхронизации. В частности, установлены «резистивный настенный токовый монитор» (RWCM), измеряющий временное распределение протонного пучка, атомные часы CS, двухчастотные приемники GPS и вспомогательные детекторы для измерения задержек детектора. Для анализа нейтринные события можно было связать с конкретным выбросом протонов длительностью 10 мкс, на основании чего был проведен анализ правдоподобия, а затем вероятности различных событий были объединены. Результат:

$\delta t=-2.4\pm 0.1\ (\mathrm {stat.} )\pm 2.6\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунды,

и

${\frac {v-c}{c}}=(1.0\pm 1.1)\times 10^{-6}$.

Это было подтверждено в финальной публикации в 2015 году.

Косвенные определения

Системы, нарушающие Лоренц, такие как Расширение стандартной модели, включающее осцилляции нейтрино, нарушающие Лоренц, также позволяют косвенно определять отклонения между скоростью света и скоростью нейтрино путем измерения их энергии и скоростей распада других частиц на больших расстояниях. С помощью этого метода можно получить гораздо более строгие границы, например, Stecker et al. :

${\frac {|v-c|}{c}}<5.6\times 10^{-19}$.

Дополнительные сведения о таких косвенных границах сверхсветовых нейтрино см. в разделе « Современные поиски нарушения Лоренца § Скорость нейтрино» .

Связанная беллетристика

• «60,7 наносекунд», Джанфранко Д'Анна ( ISBN   978-3-9524665-0-6 ): роман, вдохновленный заявлением о сверхсветовых нейтрино, подробно рассказывающий невероятную историю амбиций и неудач.

Внешние ссылки

• Список ресурсов INFN со множеством статей по экспериментам и истории: SuperLuminal Neutrino.