Самая загадочная во Вселенной элементарная частица нанесла удар прямо в сердце современной физики.

В физике произошло уникальное событие, которое может полностью перевернуть представление человека о строении мира. 23 сентября ученые Европейского Центра ядерных исследований (ЦЕРН) заявили о том, что наблюдали превышение скорости света самой загадочной фундаментальной частицей — нейтрино. Заявление было сделано авторитетной международной коллаборацией OPERA, куда входят сильнейшие физики Европы, Америки, Японии. К слову, в ней присутствует немало россиян из крупнейших отечественных институтов, занимающихся проблемами физики элементарных частиц.

Это сообщение вызвало эффект разорвавшейся бомбы не только в мире специалистов, но и среди обычных людей, имеющих представление об элементарных частицах по школьному курсу физики. Еще бы! Ведь любому мало-мальски образованному человеку известно, что быстрее скорости света, равной примерно 300 тысячам километров в секунду, в природе двигаться нельзя. Это постулат, который выдвинул в теории относительности Альберт Эйнштейн. За более чем столетнюю историю, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть выводы великого физика, это сделать никому не удалось. Квантовая механика не в счет, она оперирует другими понятиями. Более того, теория относительности множество раз подтверждалась как экспериментально, так и теоретически. А тут такое событие! О том, как проходил эксперимент и чего на самом деле удалось достичь, «Итогам» рассказали его непосредственные участники.

OPERA с аншлагом

Эксперимент по исследованию свойств нейтрино длится около трех лет. Все это время, по словам заведующей лабораторией отдела излучений и вычислительных методов НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ доктора физико-математических наук Татьяны Рогановой, на ускорителе SPS (суперпротонный синхротрон), входящем в комплекс Большого адронного коллайдера, протоны разгонялись и бомбили графитовую мишень, в результате чего образовывались другие частицы, в том числе нейтрино. Их собирали при помощи специального оборудования в пучок диаметром в несколько метров и отправляли в цель на расстояние 730 километров — в подземную лабораторию Гран-Сассо в Италии. Там находится большой детектор размером 20 на 8 метров, где частицы и регистрировали.

Нейтрино слабо взаимодействуют с другими элементарными частицами, поэтому их отправляли прямо через землю, по пути терялись единицы. Из-за этого свойства количество регистрируемых на детекторе частиц тоже было небольшим: как рассказал «Итогам» глава группы российских ученых — участников эксперимента OPERA, сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне кандидат физико-математических наук Юрий Горнушкин, «в сутки набиралось по 50—70 событий. Всего же в эксперименте зарегистрировано более 16 тысяч частиц». Это огромная статистика для нейтрино.

Чтобы установить скорость нейтрино, ученым пришлось приложить немало усилий. Казалось бы, все просто — известно точное расстояние, а также время вылета частицы из ЦЕРНа и прибытия ее на детектор. Стоит просто поделить километры на секунды, и цифра готова. Однако для близких к световой скоростей важна максимальная точность. Как утверждает Юрий Горнушкин, при помощи современных геодезических методов удалось замерить расстояние с погрешностью всего в 20 сантиметров, а благодаря использованию цезиевых часов и высокоточного GPS-оборудования время между двумя объектами синхронизировали до погрешности в 10 наносекунд.

Обгон разрешен

В итоге, накопив более чем достаточный объем данных, ученые принялись за расчеты. Их результаты поразили весь мир: нейтрино, вылетев из ЦЕРНа, добирались до Гран-Сассо на 60 наносекунд быстрее, чем это делал бы фотон в вакууме, то есть частицы двигались быстрее скорости света. С обывательской точки зрения это превышение ничтожно. Оно равно примерно одной сорокатысячной от скорости света, но для ученых, как заявила Татьяна Роганова, «это большая, рекордная величина». И дело тут даже не в наносекундах, а в самом факте преодоления скорости света, который противоречит основам современной физики.

Как подтвердил старший научный сотрудник сектора теоретической астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН кандидат физико-математических наук Александр Иванчик, «согласно специальной и общей теориям относительности быстрее скорости света ничто двигаться не может. Более того, даже этого значения могут достигать только безмассовые частицы». Но парадокс в том и заключается, что учеными, в том числе и в рамках проекта OPERA, уже установлено, что нейтрино как раз обладает массой. При этом условии оно не способно достичь скорости света, а тут эксперимент показал обратное, причем с колоссальной статистической достоверностью. Что бы это могло значить?

Участники эксперимента не спешат с выводами. Они лишь выдали результат и теперь ждут его объяснения от теоретиков и коллег-экспериментаторов, не отрицая возможности какой-либо систематической ошибки. Например, в качестве варианта такой ошибки рассматривается влияние вращения Земли. Могли быть и другие ошибки. Некоторые оппоненты заявляют, что регистрируемые частицы пришли из другого места. Известно, что каждую секунду через один квадратный сантиметр на Земле проходит около 60 миллиардов нейтрино, двигающихся от Солнца. Юрий Горнушкин отвечает оппонентам, что эксперимент был тщательно проработан: «Каждые 6 секунд на ускорителе делается два выброса протонов по 10,5 микросекунды, разделенных на 50 миллисекунд. Эта структура строго известна». В Италии при регистрации нейтрино ученые измеряли время прихода этих частиц, и у них получается точно такое же по форме распределение. «Их форма такая же, как и в ЦЕРНе, но они сдвинуты на 60 наносекунд по сравнению с ожидаемым временем прихода». Если ошибка есть, то она, скорее всего, связана с анализом данных.

Единственный способ проверить результат коллаборации OPERA — это провести аналогичный эксперимент с такой же или более высокой точностью. Причем он должен ставиться другими людьми и на другом оборудовании. Это и произойдет в ближайшее время в лаборатории Ферми в США. Как рассказал Юрий Горнушкин, там проводится практически идентичный эксперимент MINOS. Более того, американцы в 2007 году также зафиксировали нейтрино, преодолевшее скорость света. Однако им тогда не хватило точности в измерениях. Разница не сильно отличалась от погрешности, которая составляла 70 наносекунд — почти в десять раз больше, чем у физиков из OPERA.

Научная фантастика

Поверить во все это сложно. Уж слишком высок сегодня авторитет теории относительности и других постулатов физики, чтобы говорить о возможностях обойти их в открытую. А версии звучат одна интереснее другой. Например, оказывается, что формально в общей теории относительности все-таки есть частицы, двигающиеся быстрее скорости света. Это тахионы. Но при этом из-за определенных сложностей наблюдать их мы не можем. Они находятся за барьером скорости света. Это некий другой мир — тахионный. Частицы из нашего мира не могут попасть в него, а из него не могут попасть в наш. В этом смысле тахионы представляют больше философский и математический интерес. Но тем не менее можно предположить, что нейтрино как раз и способны преобразовываться в тахионы, перелетая из одного мира в другой через световой барьер.

Согласно другому предположению, нейтрино являются тем, что выстраивает темную материю, которой во Вселенной в шесть с половиной раз больше, чем обычной. Однако известной массы нейтрино, считают ученые, не хватает на то, чтобы она составила темную материю. Впрочем, этот огромный недостаток массы нейтрино может компенсировать, как раз преодолевая световой барьер.

Есть другая гипотеза, которая гласит, что нейтрино, выпущенные из ЦЕРНа, перешли из известных нам четырех измерений в какое-либо другое, например пятое. Потом вынырнули снова в нашем мире, затратив на путь меньше времени, чем если бы просто пробирались сквозь землю по прямой.

И это только версии, прозвучавшие из уст серьезных, вполне адекватных физиков-теоретиков. Теперь остается ждать подтверждения сенсационных данных и гадать, кому в итоге повезет — 160 экспериментаторам из проекта OPERA, которые в случае успеха достойны Нобелевской премии, или фортуна повернется лицом к теоретикам, и им не придется ломать голову над тем, как заново описать физическую картину мира.

Мнения

Дженни Томас, профессор отдела физики и астрономии Университетского колледжа Лондона, участник коллаборации MINOS (лаборатория Ферми, США):

— Рассуждая о том, почему подобное произошло, нужно в первую очередь обратить внимание на возможность существования систематических ошибок, которые требуют проверки. Во-первых, это расстояние. Во-вторых, неотъемлемые задержки в процессе считывания информации с детектора, в-третьих — интерпретация фактической структуры пучка нейтрино. Любая из них могла привести к неверной трактовке результата. В течение 6—8 месяцев в проекте MINOS будут проводиться измерения на усовершенствованном оборудовании. Мы надеемся получить в 10 раз больше данных. Однако на этом не остановимся и в 2013 году начнем сбор данных в эксперименте MINOS+, который позволит получить наилучшие результаты проверки с очень большой статистикой и очень хорошо контролируемыми измерениями (около 5—10 наносекунд). Результаты этого эксперимента будут готовы к середине — концу 2014 года.

Анатолий Борисов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики физического факультета МГУ:

— Не стал бы утверждать, что теория Эйнштейна опровергнута. Любая современная физическая теория имеет ограниченную область применимости. Нельзя абсолютизировать них. Инженеры используют ньютоновскую классическую механику. Релятивистская механика дает малые поправки, которыми можно пренебречь. Так же с теорией относительности. Она проверена с конечной, высокой точностью, но физики никогда не говорили, что это абсолютная истина.