Zagadka neutrin szybszych niż światło rozwiązana przez Szczególną Teorię Względności

Minęły już trzy tygodnie od niezwykłej wiadomości, że neutrina podróżujące między Francją a Włochami poruszają się szybciej niż światło. Eksperyment, znany jako OPERA, wykazał, że cząstki wyprodukowane w CERN pod Genewą dotarły do ​​Laboratorium Gran Sasso we Włoszech około 60 nanosekund wcześniej niż pozwala na to prędkość światła.

Wynik wywołał falę podekscytowania w społeczności fizyków. Od tego czasu pojawiło się ponad 80 artykułów na temat arXiv, próbujących obalić lub wyjaśnić efekt. Można jednak śmiało powiedzieć, że ogólne wrażenie jest takie, że zespół OPERY musiał coś przeoczyć.

Dziś Ronald van Elburg z Uniwersytetu w Groningen w Holandii przekonuje, że znalazł błąd.

Najpierw przejrzyjmy eksperyment, który jest prosty w koncepcji: pomiar odległości i czasu.

Odległość jest prosta. Lokalizacja produkcji neutrin w CERN-ie jest dość łatwa do zmierzenia za pomocą GPS. Położenie laboratorium Gran Sasso jest trudniejsze do ustalenia, ponieważ znajduje się ono pod kilometrową górą. Niemniej jednak zespół OPERA twierdzi, że pokonała odległość 730 km z dokładnością do około 20 cm.

Czas lotu neutrin jest trudniejszy do zmierzenia. Zespół OPERA twierdzi, że może dokładnie zmierzyć moment powstania neutrin oraz moment ich wykrycia za pomocą zegarów na każdym końcu.

Ale najtrudniejszą częścią jest utrzymywanie dokładnej synchronizacji zegarów na obu końcach. Zespół robi to za pomocą satelitów GPS, z których każdy nadaje bardzo dokładny sygnał czasu z orbity około 20 000 km nad głową. Wprowadza to szereg dodatkowych komplikacji, które zespół musi wziąć pod uwagę, np. czas dotarcia sygnałów GPS do ziemi.

Jednak van Elburg twierdzi, że istnieje jeden efekt, który zespół OPERA najwyraźniej przeoczył: relatywistyczny ruch zegarów GPS.

Łatwo pomyśleć, że ruch satelitów nie ma znaczenia. W końcu fale radiowe przenoszące sygnał czasu muszą podróżować z prędkością światła, niezależnie od prędkości satelitów.

Ale jest dodatkowa subtelność. Chociaż prędkość światła nie zależy od układu odniesienia, czas lotu tak. W tym przypadku mamy do czynienia z dwoma układami odniesienia: eksperymentem na ziemi i zegarami na orbicie. Jeśli poruszają się one względem siebie, należy to uwzględnić.

Jaki jest więc ruch satelitów w odniesieniu do eksperymentu OPERA? Sondy te krążą z zachodu na wschód w płaszczyźnie nachylonej do równika pod kątem 55 stopni. Co istotne, jest to mniej więcej zgodne z torem lotu neutrin. Ich ruch względny jest wtedy łatwy do obliczenia.

Tak więc z punktu widzenia zegara na pokładzie satelity GPS zmieniają się pozycje źródła i detektora neutrin. Z perspektywy zegara detektor porusza się w kierunku źródła, przez co odległość pokonywana przez cząstki obserwowana z zegara jest krótsza – mówi van Elburg.

Rozumie przez to odległość krótszą niż odległość zmierzona w układzie odniesienia na ziemi.

Zespół OPERA pomija to, ponieważ myśli o zegarach jak na ziemi, a nie na orbicie.

Jak duży jest ten efekt? Van Elburg oblicza, że ​​powinno to spowodować, że neutrina pojawią się 32 nanosekundy wcześniej. Ale to musi być podwojone, ponieważ ten sam błąd pojawia się na każdym końcu eksperymentu. Tak więc całkowita korekta wynosi 64 nanosekundy, prawie dokładnie to, co obserwuje zespół OPERA.

To imponujące, ale nie oznacza to, że problem został rozwiązany i odkurzony. Recenzja naukowa jest istotną częścią procesu naukowego i ten argument musi być przedmiotem szczegółowej analizy ze strony ogółu społeczności, aw szczególności zespołu OPERA.

Jeśli wstanie, ten odcinek będzie pełen ironii. Daleki od łamania teorii względnej Einsteina, pomiar prędkości szybciej niż światło okaże się kolejnym jej potwierdzeniem.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1110.2685 : Czas lotu między źródłem a detektorem obserwowany z satelity GPS.

ukryć