Измерения скорости нейтрино - Measurements of neutrino speed

Измерения скорости нейтрино были проведены как тесты специальной теории относительности и для определения масса из нейтрино. Астрономические поиски исследуют, приходят ли на Землю одновременно свет и нейтрино, испускаемые удаленным источником. Наземные поиски включают время полета измерения с использованием синхронизированных часов и прямое сравнение скорости нейтрино со скоростью других частиц.

Поскольку установлено, что нейтрино обладают массой, скорость нейтрино кинетическая энергия начиная с МэВ до ГэВ должна быть немного ниже, чем скорость света в соответствии с специальная теория относительности. Существующие измерения обеспечивали верхние пределы отклонений примерно в 10⁻⁹, или несколько частей на миллиард. В рамках погрешность это соответствует отсутствию каких-либо отклонений.

Обзор

Скорость нейтрино как функция релятивистской кинетическая энергия, с массой нейтрино <0,2 эВ / c².

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

Долгое время предполагалось в рамках стандартная модель из физика элементарных частиц, который нейтрино безмассовые. Таким образом, согласно специальной теории относительности, они должны двигаться со скоростью, равной скорости света. Однако с момента открытия осцилляции нейтрино предполагается, что они обладают небольшой массой.^[1] Таким образом, они должны двигаться немного медленнее скорости света, иначе их релятивистская энергия станет бесконечно большим. Эта энергия определяется формулой:

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

с v скорость нейтрино и c скорость света. Масса нейтрино м в настоящее время оценивается как 2 эВ / c², а возможно, даже ниже 0,2 эВ / c². Согласно последнему значению массы и формуле для релятивистской энергии, относительная разница в скоростях света и нейтрино меньше при высоких энергиях и должна 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 чем-то вроде сверхсветовой частицы называются тахионы,^[2] хотя другие критиковали это предложение.^[3] Считается, что гипотетические тахионы совместимы с Лоренц-инвариантность, сверхсветовые нейтрино также изучались в рамках, нарушающих лоренц-инвариантность, как мотивированные спекулятивными вариантами квантовая гравитация, такой как Расширение стандартной модели в соответствии с которым Лоренц-инвариантные осцилляции нейтрино может возникнуть.^[4] Помимо измерения времени пролета, эти модели также позволяют косвенные определения скорости нейтрино и другие современные поиски нарушения Лоренца. Все эти эксперименты подтвердили лоренц-инвариантность и специальную теорию относительности.

Фермилаб (1970-е)

Фермилаб провели в 1970-х годах серию наземных измерений, в которых скорость мюоны сравнивали с нейтрино и антинейтрино с энергиями от 30 до 200 ГэВ. Узкая полоса Фермилаб пучок нейтрино генерировалось следующим образом: 400 ГэВ протоны попадают в цель и вызывают образование вторичных лучей, состоящих из пионы и каоны. Затем они разлагаются в откачанной трубе длиной 235 метров. Остальные адроны были остановлены вторичным сбросом, так что только нейтрино и некоторые энергичные мюоны могут проникнуть через земной и стальной щит длиной 500 метров, чтобы достичь детектор частиц.

Поскольку протоны переносятся сгустками по одной наносекунда На интервале 18,73 нс можно было определить скорость мюонов и нейтрино. Разница в скорости привела бы к удлинению нейтринных сгустков и смещению всего временного спектра нейтрино. Сначала сравнивались скорости мюонов и нейтрино.^[5]Позже наблюдались также антинейтрино.^[6]Верхний предел отклонений от скорости света составлял:

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

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

Сверхновая 1987A

Наиболее точное соответствие скорости света (по состоянию на 2012 г.^{[Обновить]}) была определена в 1987 г. путем наблюдения электронных антинейтрино с энергиями от 7,5 до 35 МэВ, возникающих на Сверхновая 1987A на расстоянии 157000 ± 16000 световых лет. Верхний предел отклонений от скорости света составлял:

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

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 практически невзаимодействующие нейтрино могли беспрепятственно проходить сверхновую, в то время как свету требовалось больше времени.^{[7][8][9][10]}

МИНОС (2007)

Первое наземное измерение абсолютного времени прохождения было проведено МИНОС (2007) в Фермилаб. Для генерации нейтрино (так называемые NuMI луч ) они использовали главный инжектор Фермилаб, с помощью которого протоны с энергией 120 ГэВ направлялись в графит цель от 5 до 6 партий на разлив. Возникающие мезоны распался 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 на расстоянии 734 км друг от друга. Часы обеих станций были синхронизированы GPS и долго оптические волокна использовались для передачи сигнала.^[11]

Они измерили раннее прибытие нейтрино около 126 нс. Таким образом, относительная разница скоростей была ${ displaystyle scriptstyle (5.1 pm 2.9) times 10 ^ {- 5}}$ (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, таким образом, это не было значимым, поскольку 5σ требуется для признания научного открытия.

При уровне достоверности 99% было дано^[11]

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

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

ОПЕРА (2011, 2012)

Аномалия

в ОПЕРНЫЙ эксперимент, 17-ГэВ нейтрино были использованы, разделенные на экстракции протонов длиной 10,5 мкс, генерируемые при ЦЕРН, поразивший цель на дальности 743 км. Затем образуются пионы и каоны, частично распавшиеся на мюоны и мюонные нейтрино (ЦЕРН Нейтрино в Гран-Сассо, АГНКС). Нейтрино отправились дальше к Laboratori Nazionali del Gran Sasso (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 выше скорости 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 его спецификации, из-за чего нейтрино появлялись медленнее, чем ожидалось. Затем было проведено сравнение времени прибытия космических мюонов высоких энергий в OPERA и расположенный рядом детектор LVD между 2007–2008, 2008–2011 и 2011–2012 гг. 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, а также измерение скоростей нейтрино в соответствии со скоростью света коллаборацией ICARUS (см. ИКАРУС (2012) ), показал, что нейтрино на самом деле не быстрее света.^[19]

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 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 ${ displaystyle 10 ^ {- 6}}$ оценка разницы скоростей на порядок точнее, чем предыдущие наземные измерения времени пролета.^[20]

СПГС (2012 г.)

Продолжая измерения OPERA и ICARUS, СПГ эксперименты Borexino, LVD, OPERA и ICARUS провели новые испытания в период с 10 по 24 мая 2012 года после того, как ЦЕРН провел 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

Коллаборация Borexino проанализировала как повторный прогон сгруппированного пучка, произошедший с октября по ноябрь. 2011 г. и второе повторение мая 2012 г.^[21]Для данных за 2011 год они оценили 36 нейтринных событий и получили верхний предел для разницы во 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, подключенный к Руб. Часы.^[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% C.L.).

LVD

В LVD коллаборация впервые проанализировала повторный прогон луча октябрь – ноябрь. 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 года 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 спусковой крючок. 48 нейтринных событий (при энергиях выше 50 МэВ, средняя энергия нейтрино составляла 17 ГэВ) были использованы для анализа в мае, что позволило улучшить 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% C.L.).

ИКАРУС

После публикации анализа повторного прогона луча за октябрь – ноябрь. 2011 (см. над ), коллаборация ICARUS также представила анализ майского повтора. Они существенно улучшили свою собственную внутреннюю систему хронометража 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:^[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 на ${ displaystyle 1.6 times 10 ^ {- 6} c}$ (95% C.L.) исключены.

ОПЕРА

После корректировки первоначальных результатов OPERA также опубликовала свои измерения за май 2012 года.^[25]Для оценки нейтринных событий использовалась 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% С. Л.).

МИНОС (2012)

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 10 мкс разлив, 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»):^[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 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 распределение времени 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,

и

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

Это было подтверждено в итоговой публикации 2015 года.^[30]

Косвенные определения скорости нейтрино

Лоренц нарушает рамки, такие как Расширение стандартной модели включая Лоренц-инвариантные осцилляции нейтрино 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, например, по Штекеру. и другие.:^[31]

${ displaystyle { frac {| v-c |} {c}} <5,6 times 10 ^ {- 19}}$.

Подробнее о таких косвенных ограничениях сверхсветовых нейтрино см. Современные поиски нарушения Лоренца # Скорость нейтрино.

Рекомендации

Связанная беллетристика

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

внешняя ссылка

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