Fizikai Szemle 2012/05. 145.o.
A FÉNYNÉL GYORSABB NEUTRÍNÓK TÜNDÖKLÉSE
ÉS BUKÁSA – egy téves felfedezés anatómiája
Horváth Dezső , MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet , Debrecen
Nagy Sándor, Debreceni Egyetem és MTA–DE Részecskefizikai Kutatócsoport
Nándori István, MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen és MTA–DE Részecskefizikai Kutatócsoport
Trócsányi Zoltán, Debreceni Egyetem és MTA–DE Részecskefizikai Kutatócsoport
Áttekintjük a fénynél gyorsabb neutrínók előéletét,
látszólagos megfigyelésük és azok cáfolata történetét,
valamint a hozzá fűzött értelmezési lehetőségeket.
Megmutatjuk, bizonyos esetekben, a tudomány fejlődése
szempontjából milyen hasznos lehet az ilyen –
egyébként hibásnak bizonyuló – kísérleti eredmény.
Neutrínókísérletek
A neutrínófizikát története során végig rejtélyek kísérték
és kísérik ma is, az olvasó részletes leírást talál
Fényes Tibor cikkében [1]. Pauli már eleve azért vezette
be, mint észlelhetetlen semleges részecskét
neutron néven, hogy rendbehozza az energiamegmaradást
az atommagok béta-bomlásaiban. Később, amikor
előkerült az igazi neutron, Fermi lekicsinyítette
olaszul neutrínóvá. A neutrínókon végletes a gyenge
kölcsönhatás paritássértése: gyakorlatilag csak balra
(a mozgásirányával ellenkező irányban) polarizált
neutrínók és jobbra polarizált antineutrínók léteznek.
Sokáig azt hittük, hogy nincs tömegük. Egymásba
alakulásuk, a neutrínóoszcilláció felfedezése vezetett
a nullánál nagyobb tömegük felismeréséhez.
A neutrínóoszcilláció megfigyelése megoldotta a
neutrínófizika számos rejtélyét. Tisztázta, hogy azért
látunk a várakozásnál sokkal kevesebb elektron-neutrínót
a Nap atommag-reakcióiból és müon-neutrínót a
légkörrel kölcsönhatásba lépő kozmikus sugarakból,
mert a háromféle töltött leptonhoz (elektron, müon és
tau-lepton) tartozó neutrínófajta egymásba tud repülés
közben alakulni. A számos működő neutrínókísérlet
(1. ábra) közül három földi távolságokon tanulmányozza
a neutrínóoszcillációt: részecskegyorsítóban
előállított müonneutrínó-nyalábot irányítanak a
néhányszáz km-re fekvő, föld alatti észlelőrendszerhez.
Amerikában a Fermilab a 735 km-re, a Soudan-bányában
elhelyezett MINOS-detektorhoz1 (2. ábra),
Japánban a KEK-laboratórium a 295 km-re fekvő Kamioka-bánya
Super-Kamiokande2 detektorához (3. ábra, azon figyelték meg 15 éve először a neutrínóoszcillációt),
a Genf melletti CERN pedig a 732 km-re,
Rómától délre fekvő Gran Sasso föld alatti laboratórium
felé.
A neutrínóoszcilláció felvet egy újabb problémát.
Általában akkor következik be keveredés két részecskeállapot
között, ha a tömeg-sajátállapotuk nem egyezik
valamelyik kölcsönhatáshoz tartozó sajátállapotukkal.
A neutrínó azonban a Standard modell értelmében
csak a gyenge kölcsönhatásban vesz részt. A
Standard modell egyenleteibe a tömegeket mesterségesen
csempésszük be (és annak örülünk, hogy a
Higgs-mechanizmus ezt egyáltalán lehetővé teszi). Ha
ezt úgy tesszük, hogy a gyenge és a tömeg-sajátállapotok
különböznek, akkor nincs szükség ötödik erőre,
hogy felbontsa a neutrínó állapotait.
A neutrínóoszcilláció felfedezése tehát úgy értelmezhető,
hogy a neutrínóknak van tömege. Ezzel
kapcsolatban érdekes kérdés, hogy mekkora a neutrínók
sebessége. Amíg feltételezzük, hogy a neutrínók
tömege zérus, a speciális relativitás elve szerint sebességük
üres térben a vákuumbeli fénysebességgel lesz
egyenlő. Véges tömegű részecske a relativitás elvéből
következően nem érheti el a fénysebességet, bár azt
tetszőlegesen megközelítheti, miközben energiája
minden határon túl növekszik.
Részecskék mérésének hagyományos módja adott
távolság berepüléséhez szükséges idejük (time of
flight - ToF) megmérése. Az ilyen mérés viszonylag
egyszerű, amíg a részecske sebessége nem nagy: nem
túl nagy távolságot, illetve nem nagyon rövid időt
nagy pontossággal tudunk mérni; a kettő hányadosa
megadja a sebességet. Ha viszont a részecskesebesség
nagyon nagy, akkor vagy nagyon nagy távolságot,
vagy nagyon rövid időt, vagy egyszerre mindkettőt
igen pontosan kell tudnunk mérni. Sokáig ez tette
nehézzé a fénysebesség pontos meghatározását is. A
múlt század második felében már nem is erre a módszerre
alapuló mérésekkel sikerült olyan pontosan
meghatározni a fény sebességét üres térben, hogy
Bay Zoltán javaslatára a fény által a másodperc
299 792 458-ed része alatt megtett út lett a méter meghatározásának
alapja (1. táblázat )
A MINOS-kísérlet 2007-ben közölte [2], hogy az
oszcilláció tanulmányozása mellett megmérték a neutrínók
sebességét. A neutrínók a vákuumbeli fénysebességgel
számítotthoz képest 126 ± 32 (stat) ± 64
(sziszt) ns-mal (1 ns = 10-9 s) gyorsabban tették meg a
735 km-t, mint a fény vákuumban. Az első bizonytalanság
statisztikus, tehát az észlelt neutrínók számától
függ, a második szisztematikus, azaz a kísérlet mérési
és adatelemzési technikájából következik. A végeredményhez
a kétféle bizonytalanságot a statisztika szabályai
szerint összegezzük. A számokból látszik, hogy
az adatgyűjtést nem volt értelme folytatni, hiszen a
statisztikus bizonytalanság már csak a fele volt a szisztematikusnak.
A MINOS neutrínóinak a fényhez viszonyított
sebességkülönbsége
volt. Eszerint v? nagyobb, mint a fénysebesség, de
csak kétszeres mérési bizonytalanságon belül, tehát
nem szignifikánsan, és a kísérletezők konklúziója az
volt, hogy megerősítették: a
neutrínók közel fénysebességgel
terjednek.
20 évvel korábban már történt
ilyen sebességmérés. Az
1987A szupernóva [3] neutrínóit
néhány órával a felvillanása
előtt észlelték a működő
nagy detektorok, a japán Kamiokande
és az amerikai IMB-kísérlet.
3 Szupernóvák esetén a
keletkező neutroncsillag felszabaduló
kötési energiája túlnyomórészt
neutrínók formájában
távozik: a Nagy Magellánfelhőben,
168 000 fényévre levő
1987A esetében ez mintegy ~1058 db, <Eν> ~ 10–15 MeV
energiájú elektron-neutrínót
jelentett, amelyek fele az első
1–2 s, a többi 10–100 s alatt lép ki. 1987 február 23-án a
2140 tonnás Kamiokande hajnali 2 óra 52 perckor a jellemző
hátteret, 1 neutrínót észlelt 10 s-ként, 7 óra 35
perckor pedig 11 neutrínót 13 s alatt; a jóval nagyobb
tömegű, 6000 tonnás IMB 2 óra 52 perc körül nem észlelt
neutrínót, 7 óra 35 perckor viszont 8 neutrínót 4 s
alatt. A szupernóva fényjele késve érkezik, mivel a
neutrínók gyakorlatilag akadálytalanul lépnek ki, amíg
a hőnek ki kell verekednie magát a felrobbant csillag
anyagából: az SN1987A fénypontját még másfél évig
látni lehetett (4. ábra). Az SN1987A tanulmányozása
ahhoz a következtetéshez vezetett, hogy a neutrínók
sebessége nagyon pontosan egyezik a fényével vákuumban:
Az OPERA-kísérlet
Az OPERA-kísérlet4 2011. szeptember 21-én kiszivárogtatta,
majd másnap
bejelentette, hogy fénysebességnél
gyorsabb (δ ≈ 2,5 · 10-5) neutrínókat észleltek
a CERN5 és az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratórium
között (732 km). Beküldtek egy részletes
cikket [4] a nagyenergiás fizika elektronikus könyvtárába
és előadást tartottak róla a CERN-ben. Az
OPERA-kísérletet is a neutrínóoszcilláció vizsgálatára építették,
az eredeti célja a müon-neutrínó tau-neutrínóvá
alakulásának kimutatása volt. Igen érdekes a mérőberendezés
szerkezete (5. ábra): két egyforma modulból
áll, bennük szcintillációs lapszámlálók váltogatják
egymást fotoemulziós lemezekkel. Amikor a
szcintillátor jelzi, hogy tau-neutrínóra valló esemény
történt, a megfelelő fotoemulziós lemezeket kiemelik,
kiolvasásra elviszik, majd idővel – törölve – visszarakják.
A szcintillátor gyors, a fotoemulziónak kitűnő a
képalkotása. A CNGS és az OPERA három évi működése
alatt sikerült is azonosítaniuk egy tau-neutrínót
(6. ábra).
A fénynél gyorsabb neutrínók megfigyelését tudományos
körökben igencsak kétkedve fogadták. Az
utóbbi évtizedekben számos esetben megjelent híradás
a részecskefizika addigi tapasztalatainak ellentmondó
kísérleti eredményről, amely később rendre
hamisnak bizonyult (dibarionok, pentakvarkok, különböző
Higgs-bozonok és más egzotikus részecskék).
A kiszivárogtatás miatt a CERN főigazgatója körlevelet
küldött a CERN 13 000 kutatójának mértéktartást kérve
a témára vonatkozó nyilatkozatokban. Kiadta továbbá
a következő közleményt: "Engedélyeztem a CERN-i
előadást, mert a laboratóriumnak kötelessége az [OPERA]
együttműködésnek lehetővé tenni, hogy a tudományos
közösség elé tárja megvitatásra, amit látott."
Az OPERA-kísérlet 200 résztvevője közül 175 jegyezte
a cikket (a többi nem adta hozzá a nevét); közölték,
hogy fél évet töltöttek a kísérlet ellenőrzésével, de
nem találtak hibát rajta. Igazából a hibát csak még fél
évvel később találták meg: valószínűleg egy hibás optikai
csatolás okozott mintegy 70 ns késlekedést az
órákat összehangoló szinkronjelen, ami a neutrínók
látszólagos beérkezési idejét ugyanannyival korábbra
tolta. Az OPERA sebességmérése a következőképpen
működött. A CERN SPS (szuper-proton-szinkrotron)
gyorsítója protonokat lő egy céltárgyba és az atommagokon
történő szóródás elektromosan töltött pionokat,
a legkönnyebb mezonokat kelt. A pionok 1 km hosszú
vákuumvezetékben repülnek és elbomlanak müonra
és müon-neutrínóra,
π± → µ±νµ.
A megmaradt pionokat
elnyeletik anyagban, az erős kölcsönhatás hiánya miatt
sokkal nagyobb áthatoló képességű töltött müonokat
a CERN-ben elhelyezett detektorokon átrepülve azonosítják
és utána szintén lefékezik. A nagyenergiás
pion bomlásakor a müont és a neutrínót előre löki ki,
de a müon bomlása előtt lelassul, és a ,
illetve reakció neutrínói szétszóródnak.
Az OPERA-kísérlet felé irányított néhány centiméter
átmérőjű nyaláb tehát gyakorlatilag kizárólag müonneutrínót
tartalmaz. Mire Gran Sassóig ér, a becslések
szerint több km-re szétterül és várhatóan részben más
neutrínókká alakul, azonban az OPERA csak a müonneutrínókra
összpontosított a repülési idő mérése során.
A CERN SPS gyorsítója a nagyenergiájú protonokat
10 µs hosszú csomagokban küldte a céltárgyra,
tehát ugyanilyen hosszú neutrínócsomag indult Gran Sasso
irányába.
A neutrínók repülési idejét a protonok indítása és a
neutrínók észlelése között mérték, a gyorsítónál és az
OPERA-kísérletnél elhelyezett atomórákkal, amelyek
szinkronizálását a GPS-rendszer segítségével folyamatosan
ellenőrizték (7. ábra). A távolság és az idő mérését
svájci és római geodéziai szakemberek végezték
és a német mérésügyi hivatal ellenőrizte. Az időmérés
fő szisztematikus bizonytalansága abból eredt, hogy
az időszinkronizálás fényjeleit a földfelszínen levő
GPS-vevőből el kellett juttatni az 1400 m mélyen fekvő
Gran Sasso laboratóriumba.
Az órát a protonok kilökő mágnese indította. Ez a
lehető legpontosabb módszer, hiszen a részecskenyaláb
energiája 450 GeV volt, mélyen relativisztikus protonokkal
és pionokkal, a neutrínó keletkezéséig a
fény vákuumbeli sebességéhez rendkívül közeli sebességgel.
Nagyon keveset számított tehát az időmérésben,
hogy a 730 km-ből az első km-t másik részecske
teszi meg fénysebességgel.
A kísérletezők azt kapták, hogy a neutrínók 57,8 ±
7,8 (stat.) ± 7,4 (sziszt.) (azaz a hibaforrásokat összegezve
58±10) ns-mal előbb érkeznek, mint azt a fénysebességből
várni lehet. Az OPERA neutrínói alapján
könnyű kiszámítani, ha a neutrínók sebessége állandó,
akkor a 168 000 fényévre levő SN1987A hasonló
neutrínóinak, vagy legalább egy részüknek 4 évvel
korábban kellett volna érkezniük. Az 1980-as évek
elején két nagy neutrínódetektor működött, a szovjet
Baksan és az amerikai IMB, de egyik sem észlelt a
szokásosnál nagyobb neutrínóáramot akkoriban. A
Baksan 1980 és 1986 között átlagosan 0,16 neutrínót
észlelt naponta, az IMB pedig 2 neutrínót, amíg az
SN1987A 1987. február 23-i kitörésekor a Baksan 5
neutrínót 9 s alatt, az IMB pedig 8 neutrínót 4 s alatt.
Ilyenkor mutatkozik igazán meg a részecskefizikai
eseményregisztrálás óriási előnye: ha valami érdekes
történik az észlelőrendszerben, minden adatot felírunk
és tárolunk, tehát évtizedekkel később is ellenőrizni
lehet, mi történt.
Jelentős volt azonban a különbség a szupernóva- és
a gyorsítós kísérletek körülményei között. A szupernóva
elektron-neutrínókat bocsátott ki, a gyorsító müonneutrínókat,
a szupernóva neutrínói sokkal kisebb,
MeV-es energián, vákuumban repülnek, amíg a gyorsítók
GeV-es neutrínókat röptetnek földkéregben.
Az OPERA-eredmény értelmezése
Az első reakció mindkét alapvető társadalmi közösségre
jellemző volt. Az újságok szerint: Megdőlt a relativitáselmélet!
A tudományos közösség reakciói általában
kételkedést tükröztek, szinte valamennyien azt gondoltuk:
Ez lehetetlen, biztosan hibás a mérés! Ennek megfelelően
a fizikusok közleményei általában (1) hibát kerestek
a kísérletben, (2) ellentmondásokat mutattak ki a
korábbi elméleti és kísérleti munkákkal, és (3) ellenőrző
kísérleteket javasoltak. Persze óhatatlanul felmerül a
gondolat: Mi van, ha mégis igaz?, tehát volt aki (4)
megpróbálta beilleszteni a fizika világképébe, amelyet
persze ehhez meg kellett változtatni.
Hiba a kísérletben
Az egyik azonnali ellenvetés
az OPERA megfigyelése ellen
az volt, hogyan lehet 10 ns
pontossággal megállapítani
egy 1000-szer olyan hosszú részecskecsomag
érkezését. A
CERN ezért 2011 végén két hétig
egészen rövid, mindössze
3 ns-os impulzusokat küldött
Gran Sasso felé, és azok is
megerősítették a közel 60 nsos
sietést.
Mint említettük, az OPERA-kísérlet
nagyon pontosan leírta
a mérési módszert, és az igen
gondosan végrehajtott, helyes
mérésnek tűnt. Az idő és a távolság
mérését szakemberek
ellenőrizték. A távolság mérésénél
kimutatták a laboratórium
cm-es eltolódását egy földrengés
következtében, a 20 cm-es
bizonytalanság tehát ésszerűnek tűnt fel. A nemzetközi
irodalomban megjelent néhány nevetséges kifogás: egy
szerző, például, azt állította, hogy a GPS-műhold mozgása
a Genf–Gran Sasso vonal mentén okozhatott 60
ns-os eltérést, egy másik pedig az ide-oda cipelt atomórák
menet közbeni elállítódásával próbálta a különbséget
magyarázni, de a GPS-műholdak különböző irányokban
repülnek, az időmérésüket még a gravitációs
potenciál változásának hatására is korrigálják, az atomórákat
pedig folyamatosan szinkronizálták. Másik lehetséges
ellenvetés volt a távolság hőmérsékletfüggése a
Föld felszínén és mélyén. Ezzel szemben télen és nyáron
azonos különbséget mértek és a GPS-rendszer az
eurázsiai kontinenshez rögzített koordinátarendszert
használ, tehát mindettől független.
Végül, mint látjuk, a hibát maguk a kísérletezők
találták meg, fél évvel a bejelentés után, és azt követően
a kísérlet két vezetője, a szóvivő (így hívják a
nagy együttműködések választott vezetőit) és az adott
analízist végző csoport fizikai koordinátora lemondott
tisztségéről. A hivatalos közlemény két technikai
problémát említett, a szóbeszéd pedig egy optikai
kábel nem megfelelő érintkezése következtében fellépő
késleltetést emlegetett.
Elméleti és kísérleti ellenvetések
A Cohen–Glashow-hatás: fékezési sugárzás
Az OPERA bejelentése után szinte azonnal megjelent
Cohen és Glashow cikke [6], amely Coleman és
Glashow korábbi klasszikus közleménye nyomán
kifejtette, hogy egy fénynél gyorsabb neutrínó gyenge
kölcsönhatásban, a Cserenkov-sugárzáshoz hasonlóan,
elektron-pozitron párok keltésével nagyon gyorsan
veszítene energiát, és az teljesen eltorzítaná a
mért energiaeloszlásokat. Az OPERA közelében levő
ICARUS-detektor6 fizikusai ellenőrizték és nem láttak
ilyen részecskéket. Ráadásul a szerzők becslése szerint
a 12,5 GeV-nél nagyobb energiájú müon-neutrínóknak
el kellene tűnnie emiatt, de sok-TeV-eseket is
látni a kozmikus sugarakban. Az a tény, hogy az Antarktisz
jegébe süllyesztett IceCube-kísérlet 500 km
fölötti távolságról érkező, 100 TeV fölötti energiájú
neutrínókat észlelt, a neutrínók és a fény vákuumbeli
sebességének különbségét
értékre korlátozza, amely 6 nagyságrenddel kisebb az
OPERA által megfigyeltnél.
A Cohen–Glashow-cikk csaknem ugyanannyi hivatkozást
kapott, mint az eredeti OPERA-közlemény,
egészen komoly hatása volt a neutrínófizikára. Gondolatmenetüket
követve számos kísérleti és elméleti
ellenőrzési javaslat született az OPERA-hatásra.
Neutrínóoszcilláció
Neutrínóoszcillációt mindhárom fajta neutrínó között
megfigyelték, és a kísérletek szerint közöttük a
tömegkülönbség nagyon kicsi,
Még a Los Alamos-i LSND-kísérlet7 által megfigyelt, de
más kísérlet által meg nem erősített negyedik-féle
(steril: töltött leptonhoz nem kapcsolódó) neutrínó
nagyobb tömegkülönbsége sem elegendő a fénynél
gyorsabb mozgáshoz. Egyébként is nagyon nehéz
megmagyarázni a fénynél gyorsabb müon-neutrínó és
fénynél lassúbb elektron-neutrínó egymásba alakulását,
de még a fénynél gyorsabbakét is egymás között.
Ráadásul a MINOS-kísérlet megállapította, hogy az
eredetileg tiszta müonneutrínó-nyaláb a MINOS távoli
detektorához érve 34%-ban elektron-neutrínóvá változott
az érkezési idők különösebb torzulása nélkül.
Megjegyezzük, hogy az SN1987A szupernóva fénynél
gyorsabb neutrínóinak – ha voltak is – időben annyira
szét kellett terülniük, mire hozzánk elértek, hogy lehetetlen
lett volna észlelni őket, az tehát, hogy az
SN1987A-ból nem láttunk olyanokat, önmagában nem
cáfolja, hogy az elektron-neutrínók egy része a fénynél
gyorsabban haladhatna.
Ellenőrző kísérletek
Az általános vélekedés szerint addig nem szabad elfogadni
az OPERÁ-éhoz hasonló eredményt, amíg azt
másik független kísérlet meg nem erősíti. Erre kitűnő
példa a már említett LSND-kísérlet, amely több, mint
20 éve egy negyedik típusú neutrínót figyelt meg: azt
eddig sem megerősíteni, sem megcáfolni nem sikerült,
tehát általános kétkedés övezi.
A japán Tokaiban8 épült J-PARC-laboratórium9
T2K-kísérlete10 közölte, hogy az időmérésük nem elég pontos
ehhez, de a MINOS meg akarta ismételni az sebességmérést.
Több más javaslat is született. A jelen cikk
szerzői, például javasolni szándékoztak egy rövid
távolságú, 2 km-es kísérletet, ahol a neutrínók mellett
fény is futna, lehetővé téve a közvetlen összehasonlítást,
a bizonytalanság túlnyomó része ugyanis a GPS-szinkronizációból
és az időmérés hosszú optikai kábeleiből
származik. Mindez, természetesen, okafogyottá
vált, amikor az OPERA tudósított a mérési hibáról,
és az OPERA-detektorhoz igen közel fekvő
ICARUS-kísérlet közölte [7], hogy analizálták a tavaly
októberi CNGS-adatokat és az OPERÁ-val ellentétben
azt kapták, hogy a neutrínók a fénysebességnek megfelelően
érkeztek meg (8. ábra).
Technikai jellegű ellenőrzést is végeztek 2012 márciusában
és az eredményeket a Gran Sasso laboratóriumban
rendezett szemináriumsorozatban foglalták
össze [8]. Az OPERA és szomszédos LVD-kísérlet11
együttműködve összehasonlította a vízszintesen beeső,
mindkét detektort egymás után megszólaltató,
nagyenergiás kozmikus müonok időzítését a két detektorban,
és azt kapták, hogy az időzítési különbség
a két rendszer között 2008 augusztusa és 2011 decembere
között Δt = -73±9 ns-mal különbözött a
2008. augusztus előtt és a 2012-ben mértnél, tehát az
OPERA-rendszer a CNGS-adatgyűjtés folyamán – valószínűleg
a felfedezett laza kábelkapcsolat miatt –
Δt-vel korábbi időket mérhetett, mint előtte és utána.
Az OPERA maga is végzett technikai ellenőrzést és az
megerősítette az LVD eredményét: a laza kábel kijavítása
visszavitte 2012-ben az időzítést a 2007 előtti
szintre.
Értelmezés új fizika feltételezésével
Ha egyszer elfogadjuk a fénynél gyorsabb neutrínók létezését,
sok kérdés merül fel. Megtaláltuk volna az elméletileg
már régen leírt, fénynél gyorsabb részecskéket,
a tachionokat? Vajon lokális vagy globális a hatás?
Függ-e a térbeli távolságtól vagy iránytól, az időtől, a
neutrínó fajtájától, a közvetítő közegtől, vagy egyéb
anyagi körülménytől? Vagy esetleg egy olyan újabb kölcsönhatás,
ötödik erő következménye, amely csak a
neutrínókhoz kötődik? Ha az utóbbi, mi lehet az ötödik
erő forrása? Esetleg magához a Földhöz, annak anyagához
kötődik? A továbbiakban összefoglaljuk az irodalomban
található főbb gondolatokat; sajnos, a számtalan
hivatkozásra nincs a cikkünkben hely, ahhoz kéretik a
nemzetközi irodalmat tanulmányozni [9]. Az áttekintésünk
célja azt bemutatni, hogy még egy téves kísérletnek
is lehet jótékony hatása a tudomány fejlődésére.
Tachionok?
Közlemények tucatjai mutatták meg, hogy ellentmondáshoz
vezet, akármilyen tachionos, fénynél
gyorsabb neutrínót feltételezünk. A hipotetikus, fénynél
gyorsabb részecskék, a tachionok annál nagyobb
sebességűek, mennél kisebb az energiájuk, a fénysebességet
végtelen energián közelítik meg, a méréssel
ellentétben tehát a különböző energiájú müon-neutrínóknak
különböző időkülönbséggel kellett volna
megérkeznie. Másik érv a tachion-neutrínó ellen energia-
alapú: az OPERA-mérte sebességű tachion tömege
100–130 MeV/c2 kellene, hogy legyen, de az adott
pionbomlásban a töltött müon kibocsátása után legfeljebb
40 MeV marad egy tachionszerű neutrínóra.
A tachionok sebessége energiafüggéséből az következne,
hogy ha a CNGS 10 GeV körüli neutrínói 730 kmen
60 ns-mal korábban érkeztek, akkor az SN1987A
neutrínóinak 137 000 évvel kellene korábban, tehát
esélytelen az észrevételük. Ha azonban a különböző fajta
neutrínók között csak az egyik tachionos, az a nagy
tömegkülönbség miatt nem oszcillálhat a többivel.
Ötödik erő, távolságfüggés?
Feltételezhetjük, hogy az erős, elektromágneses,
gyenge és gravitációs kölcsönhatáson kívül létezik
egy ötödik, amely nem egyformán csatolódik a neutrínókhoz
és más részecskékhez. Az ötödik erő úgy is
értelmezhető, hogy a neutrínók másféle metrikát
(azaz téridő-távolságokat) éreznek, mint a többi részecske,
és ezért látszólag a fénynél gyorsabban közlekednek.
Különböző szerzők különféle erőtereket
bevezetve próbáltak egy ilyen világot felépíteni és
vele az OPERA-hatást reprodukálni. Többen bedobták
az extra térdimenziók lehetőségét, mintegy átvágva
térbeli távolságokat. Figyelembe véve a korábbi méréseket,
korlátozni lehetett az új erők és dimenziók mérőszámait.
Felmerült annak a lehetősége is, hogy a
müon-neutrínó egy sötét neutrínóba oszcillál, amelyre
nem érvényesül a Cohen–Glashow-hatás.
Talán a fénynél gyorsabb mozgás lokális, valamilyen
a Földhöz kötődő ötödik erő következménye. Ha az új
kölcsönhatás tipikus hullámhossza összemérhető a
Föld átmérőjével, akkor hatása csillagközi méretekben
elhanyagolható, ez magyarázhatja az SN1987A közel
fénysebességű neutrínóit. A Föld gravitációs tere is tartalmazhat
olyan anomális tagot, amely megváltoztatja a
neutrínó számára a tér szerkezetét. Egy ilyen modellel
is leírható valamennyi mérési eredmény.
Számos szerző felveti, hogy keveredés egy negyedik
fajta (például steril) neutrínóval szintén okozhat
fénynél gyorsabb mozgást, ha az extra neutrínó tud
extra dimenziókban terjedni. Ekkor a közönséges
neutrínók látszólag a fénynél gyorsabbak lehetnek, és
a sebességkülönbség távolságfüggését a keveredés
határozza meg, amit fokozhat a barionos12 anyag jelenléte.
Ha a sebességkülönbség függ a Földben megtett
úttól, akkor meg lehetne próbálni a CERN-ből
küldött neutrínókat az Égei-tengerben levő NESTORteleszkóp13
felé küldeni, mert az 1676 km-es távolságon
a neutrínóknak 140 ns-mal előbb kellene beérkezniük
(lineáris távolságfüggést feltételezve).
Létezik olyan elképzelés is, amely szerint a fénynél
gyorsabb neutrínók (a vákuumban terjedő) fényhez
viszonyított sebességkülönbsége nem függ a megtett
úttól. Ekkor úgy módosul a neutrínók számára a téridő
metrikája, hogy a fotonokhoz képest mindig (repülési
távolságtól függetlenül) közel ugyanannyi idővel
érkeznek korábban. Ezzel könnyen megmagyarázható,
hogy miért nem tapasztaltak az SN1987A szupernóva
esetén szupergyors neutrínókat.
Anyagfüggés?
Felmerül, hogy a fénynél gyorsabb mozgás függhet
a közvetítő közegtől. Az előzőekben már említettük,
hogy van olyan modell, amely szerint a barionos
anyag felerősíti a közönséges és a steril neutrínók
közti keveredést, így okozva szupergyors mozgást.
Egy másik elképzelés szerint barionos anyagban minden
részecske fénynél gyorsabb. Vagyis például a
szikla belsejében mozgó nagyenergiás részecskék
sebességét nagy pontossággal meghatározva fénynél
gyorsabb mozgást tapasztalnánk. Ez a hatás a sziklától
néhány milliméter távolságon túl el kell, hogy tűnjön,
hogy ne kerüljünk ellentmondásba korábbi kísérletek
eredményeivel. Az ilyen típusú elméletek egyik
fontos támasza az, hogy az OPERA, illetve MINOS-eredmények
előtt, sűrű anyagban, kellő pontosággal,
kellően nagy energián végrehajtott terjedési sebességre
vonatkozó mérések nem léteztek
.
A Lorentz-invariancia sérülése?
A fizikai modellek megalkotásánál a szimmetriák
fontos szerepet játszanak. A részecskefizikában szimmetriák
alatt nem geometriai szimmetriákat, hanem
matematikai transzformációk alatti invarianciát értünk.
A modellek szimmetriái nagymértékben egyszerűsítik a
leírást (és nem utolsó sorban a kutatók számára esztétikai
élményt nyújtanak). A szimmetriákhoz többnyire
megmaradó mennyiségek tartoznak, és a szimmetriához
tartozó transzformációk segítségével osztályozhatjuk a
Standard modell elemi részecskéit és származtathatjuk
az alapvető kölcsönhatásokat. A Lorentz-invariancia
következtében a vákuumbeli fénysebesség értéke minden
inerciarendszerben megegyezik.
Ha a fénysebességnél gyorsabb részecskét keresünk,
akkor meg kell sértenünk a Lorentz-szimmetriát.
Ennek egyik lehetséges módja az, hogy új, a
szimmetriát explicit módon sértő tagokat adunk a
mozgásegyenlethez. Általában megköveteljük a bevezetett
új tagoktól, hogy a szimmetrikusak legyenek a
CPT (töltés-, paritás- és idő-) tükrözéssel és a forgatással
szemben. A mérések felső határt szabnak arra
vonatkozóan, hogy mennyivel haladhatja meg egy
adott részecske a vákuumbeli fénysebességet és ez az
explicit Lorentz-szimmetriasértő tagok nagyságára is
felső határt ad. Az új tagok megváltoztatják az energia,
a tömeg és a lendület összefüggését, azaz a diszperziós
relációt az adott részecskére:
ahol p = [E,p] az energia-impulzus négyesvektor, m a
részecske tömege és f (p,E) a kis anomális összetevő,
amely sérti a Lorentz-invarianciát. A módosított diszperziós
reláció leírhat a fénynél gyorsabb részecskéket.
A hatás új tagjai a neutrínótér új típusú kölcsönhatását
írja le a Standard modell részecskéivel vagy
újonnan bevezetett (többnyire skalár) terekkel, de az
új tagokat létrehozhatják gravitációs, sötétenergia-,
vagy akár sötétanyag-kölcsönhatások is. Ezek másmás
energia- és impulzusfüggést adnak az f (p,E)
anomális tagban.
Vannak olyan elméleti elképzelések is, amelyek szerint
a Lorentz-szimmetria egy bonyolultabb szimmetria
alacsonyenergiás megjelenési formája, amely akár
spontán módon is sérülhet, például Finsler-féle téridőmetrika
bevezetésével (amely a Lorentz-metrika általánosítása)
szintén kaphatunk a fénynél gyorsabb elemi
részecskéket. A Lorentz-szimmetria spontán sérülhet
akkor is, ha fermionkondenzátum jelenik meg modellben.
Más elképzelések szerint a fizikai állapotokon
ható Lorentz-szimmetria deformált, anizotróp
lehet, és szintén adhat fénynél gyorsabb neutrínókat.
Zárszó
Az OPERA-kísérlet közleménye a fénynél gyorsabb
neutrínók megfigyeléséről óriási izgalmat váltott ki a
tudományos közvéleményben. Habár a megfigyelés
maga hibás volt, a tévesnek bizonyult kísérlet valóságos
gondolatvihart gerjesztett (e cikk megírásának pillanatában,
mintegy fél évvel a bejelentés után több,
mint 230 közlemény hivatkozta a hibás mérésről szóló
OPERA-cikket). Sokan számbavették a kísérletek buktatóit,
a kísérleti és elméleti ellenvetéseket és végiggondolták
a lehetséges következtetéseket. Kitűnő példája a
gondolatébresztő tudományos tévedéseknek.
Irodalom
- . Fényes Tibor: Neutrínóoszcilláció, leptogenezis, neutrínógyárak.
Fizikai Szemle 62/2 (2012) 37–45.
- . P. Adamson és mtársai (MINOS Collaboration): Measurement of
neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino
beam. Phys. Rev. D 76 (2007) 072005.
- . D. N. Schramm, J. W. Truran: New physics from Supernova
SN1987A. Physics Reports 189 (1990) 89–126.
- . OPERA Collaboration (T. Adam és mtársai): Measurement of the
neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam.
arXiv: 1109.4897 (2011)
- . OPERA Collaboration (N. Agafonova és mtársai): Observation of
a first ?? candidate in the OPERA experiment in the CNGS beam.
Phys. Lett. B 691 (2010) 138.
- . A. G. Cohen, S. L. Glashow: Pair Creation Constrains Superluminal
Neutrino Propagation. Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 181803.
- . ICARUS Collaboration (M. Antonello és mtársai): Measurement
of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS
beam. arXiv: 1203.3433 (2012)
- . LNGS results on the neutrino velocity topic. Mini-workshop,
Gran Sasso, 2012 március 28. http://agenda.infn.it/conference
Display.py?confId-4896
- . A témakör tudományos irodalma előhívható a következő böngészős
címen:
http://inspirehep.net/search?ln-en\&p-refersto%3Arecid%3A928153
és angolul részletes leírás található a Wikipédiában: http://en.wikipedia.org/wiki/Faster-than-light_neutrino_anomaly_%28OPERA_experiment%29
________________________
- Main Injector Neutrino Oscillation Search, remek fantázianeveket
találunk ki.
- Kamioka Nucleon Decay Experiment, eredetileg a protonbomlás
ellenőrzésére.
- Irvine–Michigan–Brookhaven együttműködés.
- Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus.
- CNGS, CERN Neutrinos to Gran Sasso, CERN-neutrínók Gran
Sasso felé.
- Imaging Cosmic and Rare Underground Signals.
- Liquid Scintillator Neutrino Detector
- Nem tévesztendő össze a borvidékünkkel.
- Japan Proton Accelerator Research Complex.
- Tokai to Kamioka, 295 km-es neutrínóröptetés.
- Large Volume Detector, ugyancsak Gran Sassóban.
- A Világegyetem látható anyagának túlnyomó része protonokat
és neutronokat tartalmaz, ezért barionosnak hívjuk, hogy megkülönböztessük
az egyébként sokkal nagyobb tömegben előforduló
sötét anyagtól és sötét energiától.
- Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic
Research.
Forrás: http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz1205/horvath1205.html |