Измерения скорости нейтрино

Измерения скорости нейтрино было проведены в качестве испытания специальной теории относительности и для определения массы из нейтрино. Астрономические поиски исследуют, приходят ли на Землю одновременно свет и нейтрино, испускаемые удаленным источником. 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 кинетической энергией от МэВ до ГэВ должна быть немного ниже скорости света в соответствии со специальной теорией относительности. Существующие измерения обеспечили верхний предел отклонений от скорости света примерно 10 ^-9, или несколько частей на миллиард. В пределах погрешности это соответствует отсутствию отклонений.

• 1 Обзор
• 2 Фермилаб (1970-е)
• 3 Сверхновая 1987A
• 4 MINOS (2007)
• 5 ОПЕРА (2011, 2012)
  • 5.1 Аномалия
  • 5.2 Конечный результат
• 6 СПГС (2012 г.)
  • 6.1 Borexino
  • 6,2 LVD
  • 6.3 ИКАРУС
  • 6.4 ОПЕРА
• 7 MINOS (2012)
  • 7.1 Старая система хронометража
  • 7.2 Новая система хронометража
• 8 Косвенные определения скорости нейтрино
• 9 ссылки
• 10 Связанная беллетристика
• 11 Внешние ссылки

Скорость нейтрино как функция релятивистской кинетической энергии с массой нейтрино lt;0,2 эВ / c².

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

Предполагалось в течение длительного времени в рамках стандартной модели в физике элементарных частиц, что нейтрино являются безмассовыми. Таким образом, согласно специальной теории относительности, они должны двигаться со скоростью света. Однако с момента открытия осцилляций нейтрино предполагается, что они обладают небольшой массой. Таким образом, они должны двигаться немного медленнее света, иначе их релятивистская энергия станет бесконечно большой. Эта энергия определяется формулой:

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

где v - скорость нейтрино, а c - скорость света. Масса нейтрино m в настоящее время оценивается как 2 эВ / c² и, возможно, даже ниже 0,2 эВ / c². Согласно последнему значению массы и формуле для релятивистской энергии, относительные различия в скоростях света и нейтрино меньше при высоких энергиях и должны возникать, как показано на рисунке справа.

Проведенные до сих пор времяпролетные измерения исследовали нейтрино с энергией выше 10 МэВ. Однако разница скоростей, предсказываемая теорией относительности при таких высоких энергиях, не может быть определена 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, предполагалось, что нейтрино могут быть своего рода сверхсветовыми частицами, называемыми тахионами, хотя другие критиковали это предложение. В то время как гипотетические тахионы считаются совместимыми с лоренц-инвариантностью, сверхсветовые нейтрино также изучались в рамках нарушающих лоренц-инвариантность структур, мотивированных спекулятивными вариантами квантовой гравитации, такими как Расширение стандартной модели, согласно которому могут возникать лоренц-нарушающие осцилляции нейтрино. Помимо измерения времени пролета, эти модели также позволяют косвенно определять скорость нейтрино и проводить другие современные поиски нарушения Лоренца. Все эти эксперименты подтвердили лоренц-инвариантность и специальную теорию относительности.

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 нейтринный пучок Фермилаба генерировался следующим образом: протоны с энергией 400 ГэВ попадают в цель и вызывают образование вторичных пучков, состоящих из пионов и каонов. Затем они распадаются в откачанной трубе длиной 235 метров. Оставшиеся адроны были остановлены вторичным сбросом, так что только нейтрино и некоторые энергичные мюоны могут проникнуть через землю и стальной экран длиной 500 метров, чтобы достичь детектора частиц.

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

${\ displaystyle {\ frac {| vc |} {c}} lt;4 \ times 10 ^ {- 5}}$.

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

Наиболее точное совпадение со скоростью света (по состоянию на 2012 год) было определено в 1987 году при наблюдении электронных антинейтрино с энергиями от 7,5 до 35 МэВ, возникших в сверхновой 1987A на расстоянии 157000 ± 16000 световых лет. Верхний предел отклонений от скорости света составлял:

${\ displaystyle {\ frac {| vc |} {c}} lt;2 \ times 10 ^ {- 9}}$,

таким образом, в 1.000000002 раза больше скорости света. Это значение было получено путем сравнения времен прихода света и нейтрино. Разница примерно в три часа объяснялась тем обстоятельством, что почти невзаимодействующие нейтрино могли беспрепятственно проходить сверхновую, в то время как свету требовалось больше времени.

Первое наземное измерение абсолютного времени прохождения было проведено MINOS (2007) в Фермилабе. Для генерации нейтрино (так называемый пучок NuMI ) они использовали главный инжектор Fermilab, с помощью которого протоны с энергией 120 ГэВ направлялись на графитовую мишень по 5-6 порций на разлив. Возникшие мезоны распадались в туннеле распада длиной 675 метров на мюонные нейтрино (93%) и мюонные антинейтрино (6%). Время пробега было определено путем сравнения времен прихода на ближний и дальний детектор MINOS, удаленные друг от друга на 734 км. Часы обеих станций были синхронизированы с помощью GPS, а для передачи сигналов использовались длинные оптические волокна.

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

При уровне достоверности 99% было дано

${\ displaystyle -2,4 \ times 10 ^ {- 5} lt;{\ frac {vc} {c}} lt;12,6 \ times 10 ^ {- 5}}$,

скорость нейтрино больше 0,999976c и меньше 1,000126c. Таким образом, результат также совместим с субсветовыми скоростями.

Аномалия

Основная статья: Нейтринная аномалия быстрее света

В эксперименте OPERA использовались нейтрино с энергией 17 ГэВ, разделенные на экстракции протонов длиной 10,5 мкс, генерируемые в ЦЕРНе, которые поражали цель на расстоянии 743 км. Затем образуются пионы и каоны, которые частично распадаются на мюоны и мюонные нейтрино (от нейтрино ЦЕРН до Гран-Сассо, CNGS). Нейтрино отправились дальше в Лабораторию Национали дель Гран Сассо (LNGS) на расстоянии 730 км, где расположен детектор OPERA. GPS использовался для синхронизации часов и определения точного расстояния. Кроме того, для передачи сигналов на ЛНГС использовались оптические волокна. Временное распределение выделений протонов было статистически сопоставлено примерно с 16000 нейтринных событий. OPERA измерила раннее прибытие нейтрино примерно за 60 наносекунд по сравнению с ожидаемым прибытием со скоростью света, что указывает на скорость нейтрино, превышающую скорость света. В отличие от результата MINOS, отклонение составило 6σ и, следовательно, очевидно.

Чтобы исключить возможные статистические ошибки, ЦЕРН создавал сгруппированные пучки протонов в период с октября по ноябрь 2011 года. Извлеченные протоны были разделены на короткие сгустки по 3 нс с интервалами 524 нс, так что каждое нейтринное событие могло быть напрямую связано с протонным сгустком. Измерение двадцати нейтринных событий снова дало ранний приход около 62 нс, что согласуется с предыдущим результатом. Они обновили свой анализ и повысили значимость до 6,2σ.

В феврале и марте 2012 года было показано, что в экспериментальном оборудовании были две ошибки: ошибочное подключение кабеля к компьютерной карте, из-за чего нейтрино появлялись быстрее, чем ожидалось. Другой был осциллятором вне своей спецификации, из-за чего нейтрино появлялись медленнее, чем ожидалось. Затем было проведено сравнение времени прибытия космических мюонов высоких энергий на OPERA и расположенный рядом детектор LVD в 2007–2008, 2008–2011 и 2011–2012 годах. Выяснилось, что в период с 2008 по 2011 гг. Ошибка разъема кабеля вызвала отклонение примерно на 73 нс, а ошибка генератора вызвала отклонение примерно на 73 нс. 15 нс в обратном направлении. Это и измерение скоростей нейтрино, согласующихся со скоростью света коллаборацией ICARUS (см. ICARUS (2012)), показали, что нейтрино на самом деле были не быстрее света.

Конечный результат

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

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

и границы для разницы скоростей:

${\ displaystyle {\ frac {vc} {c}} = (2,7 \ pm 3,1 \ (\ mathrm {stat.}) {\ scriptstyle {+3,4 \ на вершине -3,3}} \ (\ mathrm {sys.})) \ times 10 ^ {- 6}}$.

Также соответствующий новый анализ для пучка в октябре и ноябре 2011 г. согласился с этим результатом:

${\ displaystyle \ delta t = -1,9 \ pm 3,7 \ (\ mathrm {stat.})}$ наносекунды

Все эти результаты согласуются со скоростью света, а оценка разницы скоростей на порядок точнее, чем предыдущие наземные измерения времени пролета. ${\ displaystyle 10 ^ {- 6}}$

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

Borexino

Коллаборация Borexino проанализировала как повторный прогон сгруппированного пучка, произошедший с октября по ноябрь. 2011 г. и второй повтор в мае 2012 г. Для данных за 2011 г. они оценили 36 нейтринных событий и получили верхний предел для разностей времени пролета:

${\ displaystyle \ delta T = -6,5 \ pm 7 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 6 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды.

Для измерений в мае 2012 года они улучшили свое оборудование, установив новую аналоговую систему запуска с малым джиттером и геодезический GPS-приемник, соединенный с часами Rb. Они также провели независимые высокоточные геодезические измерения совместно с LVD и ICARUS. 62 нейтринных события могут быть использованы для окончательного анализа, что даст более точный верхний предел для разницы во времени пролета.

${\ displaystyle \ delta T = 0,8 \ pm 0,7 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 2,9 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды,

соответствующий

${\ displaystyle {\ frac {| vc |} {c}} lt;2,1 \ times 10 ^ {- 6}}$ (90% CL).

LVD

LVD сотрудничество первым анализировало луч переголосования октября-ноября. 2011. Они оценили 32 нейтринных события и получили верхний предел разницы во времени пролета:

${\ displaystyle \ delta T = 3,1 \ pm 5,3 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 8 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды.

В измерениях в мае 2012 г. они использовали новое средство хронометража LNGS, разработанное коллаборацией Borexino, и геодезические данные, полученные LVD, Borexino и ICARUS (см. Выше). Они также обновили свои сцинтилляционные счетчики и триггер. 48 нейтринных событий (при энергиях выше 50 МэВ, средняя энергия нейтрино составляла 17 ГэВ) были использованы для анализа в мае, что улучшило верхний предел для разницы во времени пролета.

${\ displaystyle \ delta T = 0,9 \ pm 0,6 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 3,2 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды,

соответствующий

${\ displaystyle -3,8 \ times 10 ^ {- 6} lt;{\ frac {vc} {c}} lt;3,1 \ times 10 ^ {- 6}}$ (99% CL).

ИКАРУС

После публикации анализа повторного прогона луча за октябрь – ноябрь. 2011 г. (см. Выше) коллаборация ICARUS также представила анализ майского повтора. Они существенно улучшили свою собственную внутреннюю систему хронометража и связи между ЦЕРН-СПГС, использовали геодезические измерения СПГС вместе с Borexino и LVD, а также использовали средство хронометража Borexino. 25 нейтринных событий были оценены для окончательного анализа, что дало верхний предел разницы во времени пролета:

${\ displaystyle \ delta t = 0,18 \ pm 0,69 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 2,17 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды,

соответствующий

${\ displaystyle {\ frac {vc} {c}} = (0,7 \ pm 2,8 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 8,9 \ (\ mathrm {sys.})) \ times 10 ^ {- 7}}$.

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

ОПЕРА

После корректировки первоначальных результатов OPERA также опубликовала свои измерения за май 2012 года. Дополнительная независимая система хронометража и четыре различных метода анализа использовались для оценки нейтринных событий. Они предоставили верхний предел разницы во времени пролета легких и мюонных нейтрино (от 48 до 59 нейтринных событий в зависимости от метода анализа):

${\ displaystyle \ delta T = 0,6 \ pm 0,4 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 3,0 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды,

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

${\ displaystyle \ delta T = 1,7 \ pm 1,4 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 3,2 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды,

соответствует скорости света в диапазоне

${\ displaystyle -1,8 \ times 10 ^ {- 6} lt;{\ frac {vc} {c}} lt;2,3 \ times 10 ^ {- 6}}$ (90% CL).

Старая система хронометража

Сотрудничество MINOS доработало 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 в измерениях 2007 года, данные на дальнем детекторе были статистически определены по данным ближнего детектора («Full Spill Approach»):

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

Во-вторых, были использованы данные, связанные с самими партиями («Wrapped Spill Approach»):

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

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

Новая система хронометража

Для дальнейшего повышения точности была разработана новая система хронометража. В частности, были установлены «Монитор тока резистивной стенки» (RWCM), измеряющий временное распределение протонного пучка, атомные часы CS, двухчастотные приемники GPS и вспомогательные детекторы для измерения задержек детектора. Для анализа нейтринные события могут быть связаны с конкретным выбросом протонов длительностью 10 мкс, на основании которого был произведен анализ правдоподобия, а затем были объединены вероятности различных событий. Результат:

${\ displaystyle \ delta t = -2,4 \ pm 0,1 \ (\ mathrm {stat.}) \ pm 2,6 \ (\ mathrm {sys.})}$ наносекунды,

а также

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

Это было подтверждено в итоговой публикации 2015 года.

Структуры с нарушением лоренц-инвариантности, такие как Расширение стандартной модели, включающие осцилляции нейтрино с нарушением лоренц-инвариантности, также позволяют косвенно определять отклонения между скоростью света и скоростью нейтрино путем измерения их энергии и скорости распада других частиц на больших расстояниях. С помощью этого метода можно получить гораздо более строгие ограничения, такие как Stecker et al.:

${\ displaystyle {\ frac {| vc |} {c}} lt;5,6 \ times 10 ^ {- 19}}$.

Для получения дополнительных таких косвенных ограничений на сверхсветовые нейтрино см. Современные поиски нарушения Лоренца § Скорость нейтрино.

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

• Список ресурсов INFN с большим количеством статей по экспериментам и истории: SuperLuminal Neutrino