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 обеспечивали верхние пределы отклонений примерно 10 ^-9 , или несколько частей на миллиард . В пределах погрешности это соответствует отсутствию отклонений.

Обзор [ править ]

Скорость нейтрино как функция релятивистской кинетической энергии с массой нейтрино <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. ^[1] 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, было высказано предположение , что нейтрино может быть какой - то сверхсветовых частиц , называемых тахионами , ^[2] , хотя другие критиковали это предложение. ^[3] Хотя гипотетические тахионы считаются совместимыми с лоренц-инвариантностьюсверхсветовые 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 . ^[4] Помимо измерений 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 (1970-е) [ править ]

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. ^[5] Позже наблюдались также антинейтрино. ^[6] Верхний предел отклонений от скорости света был:

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

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

Сверхновая 1987A [ править ]

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

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

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. ^{[7] [8] [9] [10]}

MINOS (2007) [ править ]

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 к графитовой мишени в количестве от 5 до 6 партий 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 . ^[11]

Они измерили раннее прибытие нейтрино примерно 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% это было дано ^[11]

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

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

ОПЕРА (2011, 2012) [ править ]

Аномалия [ править ]

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 к Лаборатории Национали дель Гран Сассо.(ЛНГС) 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. ^{[12] [13] [14]}

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. ^{[15] [16]}

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 год ошибка разъема кабеля вызвала отклонение примерно на 73 нс, а ошибка генератора вызвала примерно 73 нс. 15 нс в обратном направлении. ^{[17] [18]} Это и измерение скоростей нейтрино, согласующихся со скоростью света, выполненное коллаборацией ICARUS (см. ICARUS (2012)), указывало на то, что нейтрино на самом деле не быстрее света. ^[19]

Конечный результат [ править ]

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:

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

Также соответствующий новый анализ 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. ^[20]${\displaystyle 10^{-6}}$

СПГС (2012 г.) [ править ]

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. ^[19] 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. ^[21]

Borexino [ править ]

Коллаборация Borexino проанализировала как повторный прогон сгруппированного пучка, произошедший с октября по ноябрь. 2011 г. и второй повтор в мае 2012 г. ^[21] 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 . ^[22] 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 ^[21]

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

соответствующий

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

LVD [ править ]

LVD сотрудничество первым анализировало луч переголосования октября-ноября. 2011. Они оценили 32 нейтринных события и получили верхний предел разницы во времени пролета: ^[23]

${\displaystyle \delta t=3.1\pm 5.3\ (\mathrm {stat.} )\pm 8\ (\mathrm {sys.} )}$ 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 ^[23]

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

соответствующий

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

ИКАРУС [ править ]

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 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: ^[24]

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

соответствующий

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

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

ОПЕРА [ править ]

После корректировки первоначальных результатов OPERA также опубликовала свои измерения за май 2012 года. ^[25] Для оценки нейтринных событий использовались дополнительная независимая система хронометража и четыре различных метода анализа. 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

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

MINOS (2012) [ править ]

Старая система отсчета времени [ править ]

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 данными ближнего детектора («Full Spill Approach»): ^{[26] [27]}

${\displaystyle \delta t=-18\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )}$ 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 тем, что нейтрино движутся со скоростью света, и существенно улучшает их предварительные результаты 2007 года.

Новая система хронометража [ править ]

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: ^{[28] [29]}

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

а также

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

Это было подтверждено в окончательной публикации в 2015 году ^[30].

Косвенные определения скорости нейтрино [ править ]

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. ^[4] С помощью этого метода можно получить гораздо более строгие ограничения, такие как Stecker et al. : ^[31]

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

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

Ссылки [ править ]

Связанная беллетристика [ править ]

• «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. 

Внешние ссылки [ править ]

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