Máme se obávat nových objevů v CERN?

V pátek 23. 9. 2011 na tiskové konferenci v CERN bylo oznámeno, že vědci pracující na experimentu OPERA naměřili rychlost pohybu neutrin, která je vyšší, než je rychlost světla. Je to dobrá nebo špatná zpráva?

OPERA je experiment, při kterém jsou v Super Proton Synchrotron (SPS) v CERN v Ženevě ve Švýcarsku vysílány úzké svazky protonů do tlumícího členu a z něj potom vlivem srážek vylétají mezony, které se během letu v 1000 m dlouhém vakuovém tunelu mění na neutrina, která míří do detektoru v italském pohoří Gran Sasso. Ten je vzdálený 730 km od SPS. Při měření bylo zjištěno, že neutrina tuto vzdálenost urazila o 60,7 nanosekund (0,0000000607 s) rychleji než by odpovídalo rychlosti světla. To znamená, že byla podle dosavadních měření překročena rychlost světla o 0,0000248 rychlosti světla. Neurčitost měření byla stanovena na 6,9 ns pro statistickou část a 7,4 ns pro systematickou část. Je to tudíž velmi malý rozdíl, ale pokud jsou všechna měření v pořádku, tak je dostatečně průkazný.

Co by toto zjištění znamenalo pro současné fyzikální teorie?

Pokud by se prokázalo, že opravdu byla překročena rychlost světla a nebyla to žádná chyba měření, potom by nutně bylo třeba hledat náhradní teorii za Einsteinovu speciální teorii relativity (STR). Pomocí STR dokážeme vysvětlit jevy jako gravitační čočky, černé díry nebo rozpínání vesmíru. S touto teorií se však setkáváme každodenně. Například pokud jedete autem a používáte GPS navigaci, jste závislí na STR.

Nikdo z fyziků si vyvrácení této teorie nepřeje a všichni budou nyní dělat vše pro to, aby byly nalezeny nějaké chyby měření v experimentu OPERA. Vědci provedli během 3 roků více než 16000 experimentů s těmito neutriny a zjistili, že chyba měření času je asi 15 ns. Zbývá tedy vysvětlit dalších 45 ns a to bude úkol široké odborné veřejnosti. Musejí nalézt další nepřesnosti, kterých se vědci v Itálii dopustili.

Co jsou to neutrina?

Neutrina jsou částice, které vznikají při přeměně protonu na neutron. Při této reakci, která probíhá ve všech běžných hvězdách, se uvolňuje kromě neutronu ještě pozitron a elektronové neutrino. Například základní reakcí v nitru našeho Slunce je přeměna 4 protonů na jádro hélia (částice alfa). Při této přeměně se dva protony zbavují kladného náboje ve formě pozitronů a současně vzniknou dvě elektronová neutrina.

Neutrina jsou zvláštní částice. Prakticky neinteragují z hmotou (reagují slabou interakcí) a proto všemi látkami jen prochází. Například naším tělem prochází miliardy neutrin. Zdrojem těchto částic není jen Slunce, ale i výbuchy supernov, vznikají interakcí kosmického záření z horními vrstvami zemské atmosféry nebo v jaderných elektrárnách.

Elektronové neutrino není jediné. Existují ještě mionová a tauonová neutrina. Elektronová neutrina, která vylétají z našeho Slunce se cestou k Zemi mění v mionová a tauonová a ta zase v elektronová. Experiment OPERA byl postavený právě proto, aby tauonová neutrina zachytil. Vedlejším produktem těchto měření bylo určení jejich rychlosti.

Jak lze neutrina detekovat?

Neutrina detekujeme pomocí podzemních detektorů jako například Super-Kamiokande v Japonsku, což je válcová nádoba z nerezové oceli o průměru 39 metrů a výšce 42 metrů, naplněná 50 000 tunami naprosto čisté vody. Na vnitřních stěnách tohoto detektoru je rozmístěno celkem 13 000 citlivých fotonásobičů. Přístroj je umístěný v hloubce 2700 metrů pod povrchem v dole Kamioka.

V experimentu OPERA se používají cihly z desek mezi kterými jsou elektronické detektory, které zaznamenávají přilétající neutrina. Samozřejmě ne všechna je možné detekovat. Z každé miliardy neutrin pouze několik tisíc interaguje s hmotou a je možné je tedy zachytit v detektoru. Neutrina navíc mají velmi malou klidovou hmotnost.

Jak vědci vědí, že zachytávaná neutrina jsou opravdu z CERN a ne z jiných zdrojů?

Svazek neutrin vylétajících z SPS je velmi úzký přesně mířený do detektoru. Navíc jsou protony a později tedy i neutrina vysílány po tzv. balících (angl. bunch) po 5 ns a je tedy jasné, která neutrina jsou z CERN.

Závěr

Na závěr je třeba říct, že nám nezbývá nic jiného než čekat, až některý vědecký tým najde chybu v měření nebo jiným experimentem tyto výsledky potvrdí. To však může trvat několik let.

Použité zdroje:

Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detektor in the CNGS beam, dostupné http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1109/1109.4897.pdf

CERN website, http://www.cern.ch

M. Vodička: Standardní model, distanční text, Prostějov 2009

Tweet