Утврдување на брзината на неутрината

Мерењета на неутрината биле спроведени како тестови за специјална релативност и заради одредување на масата на неутрината . Астрономските истражувања испитуваат дали светлината и неутрината кои се емитирани истовремено од далечен извор доаѓаат истовремено од Земјата . Истражувањата вклучуваат мерење на време на лет со користење на синхронизирани часовници и директна споредба на брзината на неутрината со брзината на другите честички .

Бидејќи е утврдено дека неутрината имаат маса, брзината на неутрината на кинетичките енергии кои се движат од MeV до GeV треба да бидат малку пониски од брзината на светлината, во согласност со специјалната релативност. Постоечките мерења покажуваат горни граници за отстапувања од приближно 10⁻⁹ , или неколку делови на милијарда. Во рамките на дозволена грешка, не се работи за отстапување.

Преглед

Neutrino speed as a function of relativistic kinetic energy, with neutrino mass < 0.2 eV/c².

Energy	10 eV	1 KeV	1 MeV	1 GeV	1 TeV
$|v-c|/c$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-4}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-8}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-14}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-20}$	$\scriptstyle \lesssim 10^{-26}$

Долго време беше претпоставувано во рамките на класичната физика која ги проучува честичките, дека неутрината немаат маса. Според тоа, тие треба да патуваат со брзината на светлината според специјалната релативност. Сепак, од откривањето на неутринските осцилации, се претпоставува дека тие сепак поседуваат мала количина на маса. Оттука,тие треба да патуваат малку побавно од брзината на светлината, во спротивно нивната релативистичка енергија ќе стане бескрајно голема. Оваа енергија е дадена со формулата :

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

со v е означена брзина на неутрината и со c брзината на светлината. Масата на неутрината m моментално е проценета како 2 eV / c² и е можеби дури и пониска од 0,2 eV / c². Според последната масна вредност и формулата за релативистичка енергија, релативните разлики во брзината помеѓу светлината и неутрината се помали при високи енергии и треба да се појават како што е прикажано на сликата од десната страна.

Мерењата на времето на летот спроведени досега, ги испитуваа неутрините со енергија над 10 MeV. Сепак, брзинските разлики предвидени со релативноста кај таквите високи енергии не можат да се одредат со сегашната прецизност на мерењето на времето. Причината зошто таквите мерења сè уште се спроведуваат, е поврзана со теоретската можност да се појават значително поголеми отстапувања од брзината на светлината под одредени околности. На пример, беше претпоставувано дека неутрината може да бидат некој вид на суперлуминални честички наречени тахиони, иако овој предлог наиде на критики. Додека хипотетичките тахиони се сметаат за компатибилни со Лоренцовата инваријанта, суперлуминалните неутрини, исто така, биле проучувани во Лоренцовата инваријанта како нарушувања мотивирани од шпекулативни варијанти на квантната гравитација, како што е екстензијата на Стандардниот-Модел, според кое може да се појават осцилации на неутрината што ја нарушуваат Лоренцовата инвраијанта.. Покрај мерењата на времето на летот, овие модели, исто така, овозможуваат индиректни определувања на брзината на неутрината и други современи пребарувања за Лоренцовите нарушувања . Сите овие експерименти ја потврдија Лоренцовата инваријанта и специјалната релативност.

Fermilab (1970)

Fermilab спроведе во 1970-тите серија на приземни мерења, во кои брзината на мијоните беше споредувана со онаа на неутрината и антинеутрината со енергии помеѓу 30 и 200 GeV. Неутринскиот зрак со тесен опсег на Fermilab, беше генериран на следниов начин: протоните од 400-GeV ја погодија целта и предизвикаа производство на секундарни зраци кои се состојат од пиони и канови. Потоа тие се распаѓаат во евакуирана цевка за распаѓање со должина од 235 метри. Останатите адрони беа запрени од секундарната депонија, така што само неутрината и некои енергетски мијони можат да навлезат во земјениот и челичниот штит со должина од 500 метри, за да стигнат до детекторот на честички.

Бидејќи протоните се пренесуваат во гроздови во траење од една наносекунда во интервал од 18,73 нс, може да се одреди брзината на мијоните и неутрината . Разликата во брзината би довела до издолжување на гроздовите на неутрината и до поместување на целиот спектар на времињата на неутрината . Првично, брзините на мијоните и неутрината биле споредувани. Подоцна, исто така, биле забележани и антинеутрина. Горната граница за отстапувања од брзината на светлината била:

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

Ова беше во согласност со брзината на светлината во рамки на точноста на мерењето (95% ниво на доверба), а исто така не можеше да се констатира завиосност на енергијата од брзините на неутрината во рамки на ваква точност на мерењата.

Supernova 1987

Најпрецизната усогласеност со брзината на светлината (од 2012) која беше одредена во 1987 година со набљудување на електрон на антинеутрина со енергии помеѓу 7.5 и 35 MeV, произлегува од Supernova 1987A на растојаниеод 157000 ± 16000 светлосни години. Горната граница на отстапувања од брзината на светлината беше:

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

при 1.000000002 пати од брзината на светлината. Оваа вредност била добиена со споредување на времето на пристигнување на светлината и неутрината.Разликата од приближно три часа беше објаснета од околноста дека речиси неинтерактивните неутрина би можеле да ја поминат Суперновата непречено, додека за светлината е потрбно подолго време.

MINOS (2007)

Првото копнено мерење на апсолутното време на поминување беше спроведено од MINOS (2007) во Fermilab. Со цел да генерираат неутрина (т.н. NuMI зрак), тие го користеа главниот инжектор на Fermilab, со кој 120-GeV-протони беа насочени кон графитна цел во 5 до 6 серии по истури. Новите мезони распаднаа во тунел од 675 метри во мијонски неутрина (93%) и мијонски антинеутрина (6%). Времето на патување беше утврдено со споредување на времето на пристигнување на блискиот и далечниот детектор MINOS, поставени на оддалеченост од 734 км. Часовниците на двете станици беа синхронизирани со ГПС, а за оптички пренос беа користени долги оптички влакна.

Тие мереа рано пристигнување на неутрината од околу 126 нс. Така, релативната брзина била $\scriptstyle (5.1\pm 2.9)\times 10^{-5}$ (68% ниво на доверба). Ова одговара на 1.000051 ± 29 пати повеќе од брзината на светлината, што очигледно е побрзо од светлината. Главен извор на грешка биле неизвесности во одложувањата на оптичките влакна. Статистичката значајност на овој резултат беше помала од 1.8σ и не се семта значајна од причина што 5σ е потребно за да биде прифатено како научно откритие.

На 99% ниво на доверба беше дадена

$-2.4\times 10^{-5}<{\frac {v-c}{c}}<12.6\times 10^{-5}$,

брзина на неутрината поголема од 0.999976с и помала од 1.000126с. Оттука, резултатот е исто така компатибилен со сублуминалните брзини.

OPERA (2011, 2012)

Anomaly

Главна статија: Faster-than-light neutrino anomaly

Во експериментот OPERA се користеа 17-GeV неутрината, поделени во проточни екстракции од 10,5 μs должина генерирана во CERN што ја погоди целта на растојание од 743 км. Потоа се произведуваат пиони и канови кои делумно се распаѓаат во мијони и мијонски неутрина (CERN Neutrinos to Gran Sasso, CNGS). Неутрината патуваат понатаму во Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) 730 километри, каде што се наоѓа детекторот ОПЕРА. GPS се користи за синхронизирање на часовниците и за одредување на точната дистанца. Покрај тоа, оптички влакна се користат за пренос на сигнали во LNGS. Временската дистрибуција на протонските екстракции беше статистички споредувана со приближно 16000 настани на неутрината. ОПЕРА го мери пристигнувањето на приближно 60 наносекунди од почетокот на неутрината, во споредба со очекуваното пристигнување со брзината на светлината, што укажува на брзина на неутрината поголема од брзината на светлината. Спротивно на резултатот на MINOS, отстапувањето е 6σ и е очигледно значајно.

За да се исклучат можните статистички грешки, CERN произведе проточни снопови од протони помеѓу октомври и ноември 2011 година. Екстракциите на протонот беа поделени во кратки громови од 3 ns во интервали од 524 ns, така што секој неутрино настан би можел директно да се поврзе со протон-куп. Мерењето на дваесет неутрински настани повторно даде рано пристигнување на околу 62 нс, во согласност со претходниот резултат. Тие ја ажурираа нивната анализа и го зголемија нивото на значајност до 6,2σ.

Во февруари и март 2012 година се покажа дека во експерименталната опрема имало две грешки: погрешно кабелно поврзување на компјутерска картичка, при што неутрината се појавуваат побрзо отколку што се очекувало. Втората произлегува од осцилаторот кој делувал надвор од неговите карактериститки, со што неутринате се појавиле побавно отколку очекуваното. Тогаш било споредено времето на пристигнување на космички високоенергетски мијони во OPERA и ко-сместен LVD детектор помеѓу 2007-2008, 2008-2011 и 2011-2012 година. Беше откриено дека помеѓу 2008-2011 година, грешката на приклучокот на кабел предизвикала отстапување од околу 73 ns, а грешката на осцилаторот предизвикала ca. 15 ns во спротивна насока. Ова и мерењето на брзината на неутрината, во согласност со брзината на светлината од соработката на ICARUS (види ICARUS (2012)), посочија дека неутринате всушност не биле побрзи од светлината.

Краен резултат

Конечно, во јули 2012 година ОПЕРА објави нова анализа на нивните податоци од 2009-2011 година, во која беа вклучени ефектите наведени погоре, и добиени се граници за временските разлики при пристигнување (во споредба со брзината на светлината):

$\delta t=6.5\pm 7.4\ (\mathrm {stat.} ){\scriptstyle {+8.3 \atop -8.0}}\ (\mathrm {sys.} )$ наносекунди,

и граници за разликите во брзината:

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

Исто така соодветната нова анализа за снопот од октомври и ноември 2011 година е во согласност со овој резултат:

$\delta t=-1.9\pm 3.7\ (\mathrm {stat.} )$ наносекунди

Сите овие резултати се во согласност со брзината на светлината, а границата од $10^{-6}$ за разликата во брзината е попрецизна од еден ред на магнитудата отколку претходните копнените мерења на времето на летот.

LNGS (2012)

Продолжувајќи ги мерењата на OPERA и ICARUS , LNGS експериментите Borexino, LVD , OPERA и ICARUS имаат направено тестови помеѓу 10 и 24 мај 2012 година, откако ЦЕРН обезбеди уште еден повторен зрак. Сите мерења биле усогласени со брзината на светлината . The 17-GeV мујониот неутрински зрак се состои од 4 серии по екстракција одделени со ~300ns, додека сериите се состојат од 16 гроздови одделени со ~100ns,со гроздова ширина од ~2ns.

Borexino

Соработката со Borexino го анализираше снопот на зракот во Oct.–Nov. 2011 и во May 2012. . За податоците од 2011 ,тие добиле 36 неутрински настании и добиле временски разлики во летот :

$\delta t=-6.5\pm 7\ (\mathrm {stat.} )\pm 6\ (\mathrm {sys.} )$ nanoseconds.

Додека за мерењата во мај 2012 , ја подобриле опремата со тоа што инсталирале нов аналоген систем за активирање на геодетски ГПС приемник споен со Rb часовник. Исто така спроведоа независно геодетско мерење со висока точност со LVD и ICARUS. 62 неутрински испитувања можат да се искористат за конечна анализа ,давајќи поточна поточна горна граница за временските разлике во летот

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

што одговара на

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

LVD

Коалицијата LVD најпрво го анализираше зракот од Oct.–Nov. 2011. Тие процениле 32 неутрински настани и добиле горна граница за временските разлики во летот :

$\delta t=3.1\pm 5.3\ (\mathrm {stat.} )\pm 8\ (\mathrm {sys.} )$ nanoseconds.

Во мерењата во мај 2012 , тие го користеле новиот објект за мерење на LNGS преку соработката со Borexino , и геодетските податоци добиени од LVD, Borexino, and ICARUS . Исто така ги ажурираа броевите на Scintillation counters и ги активираа . 48 неутрински настани (со енергија поголема од 50 MeV, имале просечна неутринска енергија од 17 GeV) биле користени за анализа во мај , подобрувајќи ја горната граница за временската разлика во летот

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

што одговара на

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

ICARUS

По објавувањето на анализата на зракот од Oct.–Nov. 2011 , соработката на ICARUS обезбеди анализа за повторувањето во мај . Значително ги подобриле временските системи помеѓу CERN-LNGS, користејќи го геодетското мерење на LNGS заедно со Borexino and LVD, користејќи го временското мерење на Borexino. 25 неутрински настани биле земени предвид за конечната анализа , давајки ја горната граница за временска разлика во летот :

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

што одговара на

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

Неутринските брзини ја надминуваат брзината на светлината за повеќе од $1.6\times 10^{-6}c$ (95% C.L.) се исклучени .

OPERA

По исправката на првите резултати , OPERA ги објави своите мерења во мај 2012 . За евалуација на неутринските настани беа користени дополнителни , независни временски системи и 4 различни методи на анализа . Обезбедија горна граница за временски разлики во летот помеѓу светлината и мијонот неутрино (48 to 59 неутрински настани во зависност од методот на аназлиза):

$\delta t=0.6\pm 0.4\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.0\ (\mathrm {sys.} )$ nanoseconds,

и помеѓу светлината и анти-мијонските неутрини (3 neutrino events):

$\delta t=1.7\pm 1.4\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.2\ (\mathrm {sys.} )$ nanoseconds,

во согласност со брзината на светлината во домет на

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

MINOS (2012)

Стар временски систем

Соработката MINOS дополнително придонесе за нивните мерења на брзината од 2007. Ги испитуваа податоците собрани во текот на седумте години ,подобрувајки го системот за мерење ГПС и разбирањето на доцнењата на електронските компоненти , исто така користеа надградена опрема за мерење на времето . Неутрините опфаќаат 10 μs истури кој содржат 5-6 серии . Анализите се спроведени на два начина . Прво како и во мерењето во 2007 ,податоците на далечниот детекторот биле утврдени од податоците на блискот детектор .

$\delta t=-18\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )$ nanoseconds,

Второ , се користеа податоци поврзани со сериите ("Wrapped Spill Approach"):

$\delta t=-11\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )$ nanoseconds,

Ова е во согласност со неутрините кој патуваат со брзината на светлината , и значително ги подобрува резултатите од 2007

Нов временски систем

Со цел на понатамошно подобрување на прецизност , беше развиен нов временски систем . Особено , инсталиран е "Резистивен сиден тековен монитор" (RWCM) кој ја мери временската распределба на протониот зрак , CS атомскиот часовник , GPS приемниците со двојна честота и помошни детектори за мерење латентност на детекторот .За анализата , настаните на неутрините може да зас поврзат со специфично истекување на протони од 10μs ,од кои е генерирана анализа на веројатноста , а потоа веројатноста за различни настани е комбинирана . Резултатот е :

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

и

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

Ова беше потврдено во 2015 во последното објавување.

Индиректни определувања на брзината на неутрината

Лоренц кој ги надминал рамките како што е Продолжувањето на стандардниот модел , вклучувајќи ги и неутронските осцилации кои го нарушуваат Лоренц , исто така овозможуваат индиректни детерминанти на отстапувања помеѓу брзината на светлината и неутринската брзина преку мерење на нивната енергија и стапките на распаѓање на другите честички на големи растојанија. Со овој метод може да се добијат многу построги граници , како што се Stecker et al.:

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

За повеќе такви индиректни граници на суперлуминалните неутрини , видете на Modern searches for Lorentz violation#Neutrino speed.

Литература

• "60.7 nanoseconds", by Gianfranco D'Anna (ISBN 978-3-9524665-0-6): a novel inspired by the superluminal neutrino claim, recounting an incredible story of ambition and bad luck in detail.

Надворешни врски

• INFN resource list with many papers on experiments and history: SuperLuminal Neutrino