Сотрудники коллаборации OPERA перепроверили результаты своего эксперимента, в котором измеряемая скорость движения нейтрино превысила скорость света в вакууме.

Детектор OPERA, смонтированный в подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо, располагается примерно в 730 км (по прямой, проходящей сквозь земную кору) от источника мюонных нейтрино νμ — суперпротонного синхротрона Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Синхротрон разгоняет протоны до 400 ГэВ и подаёт их на графитовую мишень, где рождаются пионы и каоны, которые затем направляются в километровый тоннель и в полёте распадаются с образованием νμ.

Основной задачей OPERA всегда считалась регистрация нейтринных осцилляций — «возникновения» таонных нейтрино в подготовленных пучках мюонных. Однако экспериментальная схема с детектором, находящимся на большом расстоянии от источника частиц, хорошо подходит и для оценки скорости движения мюонных нейтрино. Чтобы обеспечить высокую точность такой оценки, в 2008 году в ЦЕРН и Лаборатории Гран-Сассо установили идентичные системы, состоящие из GPS-приёмника и цезиевых атомных часов.

В сентябре физики опубликовали первые данные, полученные с помощью новых систем. В подготовленной ими статье были рассчитаны два взаимосвязанных параметра: δt (разность времён прохождения 730-километрой дистанции, одно из которых вычисляется для света в вакууме, а другое — измеряется опытным путём для νμ) и (v – с)/с, относительная разность скоростей мюонного нейтрино и света в вакууме.

Величина δt оказалась равна 60,7 ± 6,9 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс, а (v – с)/с — [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10–5; поскольку эти значения положительны, нейтрино должны обгонять свет.

Два месяца, прошедших с момента публикации, исследователи потратили на проверку данных, отбраковав около 5% из зарегистрированных детектором OPERA 16 111 событий, которые учитывались при вычислении δt. Исключённые «ненадёжные» случаи взаимодействия нейтрино, как утверждается, могли искажать результаты, увеличивая расчётную скорость νμ. Во-вторых, экспериментаторы заново рассмотрели известные источники погрешности и оценили их вклад в общую погрешность. В-третьих, они уточнили величину огромной — микросекундной — задержки инструментального характера, на фоне которой в опыте определяется наносекундная разность времён.

После введения необходимых поправок значение δt снизилось до 57,8 ± 7,8 (стат.) +8,3–5,9 (сист.) нс, а (v – с)/с — до [2,37 ± 0,32 (стат.) +0,34–0,24 (сист.)]•10–5. Как видим, «старые» и «новые» результаты практически не различаются.


Порядок выведения протонов на мишень в новой серии измерений и структура одного из протонных импульсов (иллюстрация OPERA Collaboration).

В дополненную и переработанную статью, которая готовится к публикации в Journal of High Energy Physics, также входит отчёт о дополнительной серии измерений, выполненных по модифицированной методике. Первый вариант методики многие, заметим, критиковали за то, что длительность каждого сеанса выведения протонов на мишень составляла сразу 10,5 мкс, и определить точное время рождения каждого нейтрино, провзаимодействовавшего в детекторе, было принципиально невозможно. Вследствие этого учёным приходилось работать не с отдельными событиями, отмеченными OPERA, а с их совокупностью: измеренное распределение моментов регистрации множества νμ сравнивали с ожидаемым распределением.

В модифицированном варианте опыта протоны выводились на мишень импульсами длительностью всего в 3 нс, ширина интервалов между которыми равнялась 524 нс. Это позволило связать обнаруживаемые детектором нейтрино с конкретными импульсами, упростить схему расчёта и избавиться от тех ошибок, которые могла давать исходная методика.

Работа в новом режиме формирования пучка нейтрино продолжалась с 22 октября по 6 ноября. За две недели на мишень попало около 4•1016 протонов, детектор зарегистрировал 35 событий, а отбор прошли только 20 из них. По этим двадцати экспериментальным точкам и была рассчитана величина δt = 62,1 ± 3,7 нс, которая хорошо согласуется с указанными выше.

Теперь физикам остаётся лишь дожидаться подтверждения (или опровержения) данных OPERA в родственном эксперименте MINOS. Представители коллаборации MINOS уже заявили о том, что они планируют усовершенствовать используемую систему отсчёта и синхронизации времени и, возможно, завершат предварительную проверку результатов, полученных их коллегами, в начале следующего года.


Результаты измерений, проведённых по модифицированной методике. Средняя величина δt отмечена красным. (Иллюстрация OPERA Collaboration.)

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.