Z laboratoří v Grans Sassu se v září roznesla zpráva o částicích (neutrinech), které odporují Einsteinově teorii, (více v tomto článku). Tento a příští týden na tom samém místě probíhají další pokusy, které mají pomoci objev potvrdit, nebo vyvrátit.
Nedošlo k chybě?
Rozhodnutí o nových ověřujících pokusech nepřicházelo snadno, vyplývá ze slov Nicola D’Ambrosia. "Ale chtěli to někteří členové týmu a chtěli to i lidé zvenčí," říká s pokrčením ramen italský fyzik z experimentu OPERA. Jeho členové přišli v září tohoto roku s těžko uvěřitelným měřením částic, které překračují absolutní rychlostní limit, tedy rychlost světla ve vakuu.
Chystáme pro vás:Reportáž z Gran Sasso. Podívejte se do míst, kde přepisují učebnice fyziky. |
"Nadsvětelná neutrina" se stala hlavním fyzikálním tématem posledních týdnů. "Dostali jsme spoustu reakcí, některé opravdu podnětné a některé samozřejmě ne," říká D’Ambrosio. Záplavu tým údajně očekával, ale i tak fyziky z italské laboratoře trochu překvapila.
Tomu by alespoň nasvědčoval fakt, že se vědci z laboratoře Gran Sasso (spolu se švýcarským střediskem CERN) rozhodli přikročit k úpravě svého experimentu, která by měla odpovědět na důležitou otázku kladenou kritiky: víme opravdu přesně, kdy neutrina startují?
Když je méně více
Změna se udála během posledního víkendu. Během posledních měsíců pod italským masívem Gran Sasso pravidelně (ne neustále) prolétaly mohutné pulzy neutrin vytvořených ve švýcarském středisku CERN. Zlomek částic se snažil zachytit pod horou stojící detektor opera (proč jen zlomek, vysvětluje text v tabulce Proč se neutrino nenechá nachytat). Nyní se neutrina v Itálii objevují jen nárazově. Místo dlouhých svazků částic přelétávají mezi oběma místa velmi krátké "pulzy" neutrin.
Proč se neutrino nenechá nachytatNeutrina pronikají hmotou v podstatě jako nůž máslem a bez problémů prolétají nejen naším tělem (miliardy za vteřinu), ale třeba i Zemí. Nepůsobí na ně téměř žádné fyzikální síly. Nemají elektrický náboj, a tak ignorují elektromagnetické síly. Mají téměř zanedbatelnou hmotnost a tak i vliv v relativně slabé zemské gravitace na ně je nepozorovatelný. Výjimkou je tzv. slabá interakce, ale ta přijde ke slovu jen když přímo "trefí" nějakou jinou částici. A to se stává jen opravdu, ale opravdu málokdy. Pokud tedy chcete chytit neutrino a nemáte zrovna desítky nebo stovky let času, je dobré mít hodně neutrin. Aby to alespoň párkrát vyšlo. |
Abychom byli přesní: původní svazky byly vysílány v pulzech o délce zhruba 10 500 nanosekund (miliardtin sekundy). Od víkendu přichází k detektoru OPERA neutrina v impulzech o délce zhruba jedné až dvou nanosekund. Jednotlivé dávky od sebe navíc dělí 500 nanosekund ticha, takže by je mělo být snadné odlišit.
Změna nemá jiný důvod než odpověď na otázky kolem nadsvětelných neutrin. "Nějakou dobu se o ní debatovalo, ale nakonec vedení našeho týmu rozhodlo, že to uděláme. Tento typ svazku je totiž vytvořený tak, aby vyhovoval našim požadavkům na určení rychlosti neutrin," říká Nicola D’Ambrosio.
Když krátit, tak hodně
Proč by kratší pulzy měly být výhodné? Původní dlouhé svazky byly vytvořeny tak, aby Gran Sassem proletělo co nejvíce neutrin a detektor provedl co nejvíce měření. Souviselo to s původním vědeckým cílem experimentu OPERA, a to hledáním vzácného typu neutrin (viz. Rozhodnutí ve dvou).
Pro měření nadsvětelných neutrin jsou však příliš dlouhé. Neutrina měla světlo (přesně řečeno, světlo na stejně dlouhé trase ve vakuu, ne skutečné fotony pohybující se současně s nimi) při cestě z CERN do areálu pod Gran Sassem předběhnout o pouhých 60 miliardtin sekundy. Tedy dobu zhruba 170krát kratší, než je trvání jednoho pulzu.
Rozhodnutí ve dvouTým experimentu OPERA nemohl o změně rozhodnout sám. Udála se ve spolupráci se střediskem CERN, které v rozhodování hrálo klíčovou roli. Právě ve Švýcarsku se toho z technické stránky změnilo nejvíce. Na "Opeře" se nic nezmění, ta pokračuje v práci stejně jako předtím. OPERA utrpí jen v tom smyslu, že přijde o některá data. Jejím hlavním vědeckým cílem totiž nebylo měření rychlosti neutrin, ale zachycení tzv. oscilace neutrin. Jde o jev, který předpovídá teorie, ale v praxi se zatím podařilo zachytit jenom jedinkrát, a to právě na projektu OPERA letos v květnu. Během oscilace se má velmi zjednodušeně řečeno vzniklo přeměnou jednoho typu neutrina (jsou tři) na jiné "jen tak". V případě OPERy se pátrá po změně mionových neutrin na typ tau. Změna podoby svazku sníží počet srážek a tím pravděpodobnost zachycení proměny. |
Logicky se nabízela domněnka, jestli OPERA neměří špatná neutrina. Jinak řečeno, nezachytili v Gran Sassu neutrino, které vzniklo v CERN o trochu později v rámci stejného pulzu? Pak by do cíle částice dorazila zcela podle předpisů a nikoliv v rozporu s Einsteinovou teorií.
Tým na detektoru OPERA tento problém řešil matematicky (či spíše statisticky). Umožnila jim to skutečnost, že částice z CERN nejsou jedna jak druhá.
Svazek částic z urychlovače si můžeme představit jako vlnu, která se v průběhu jednoho vysílání (tedy stotisíciny sekundy) mění, jak se mírně mění vlastnosti částic v ní. Obrazně řečeno si ji tedy můžeme představit jako stoupající a klesající vlnu. Vědci našli ve výsledcích z detektoru OPERA otisk "vlny" z CERN. A pak mohli říci, že neutrino s takovou energií mohlo nejspíše vzniknout na jejím hřebeni, či naopak v nejnižším bodě.
Mnozí pochybují, zda je metoda opravdu tak přesná, jak tým tvrdí. Zatím v ní ovšem nikdo nenašel chybu. Přesto nikde není řečeno, že tam chyba být nemůže. "Nejlépe se na to dá přijít tak, že statistiku z měření úplně vyloučíme," říká Nicola D´Ambrosio.
Díky zkráceným svazkům to bude možné. Komplikovaných výpočtů už nebude k určení chvíle startu neutrina zapotřebí. Pokud byla chyba právě v tomto kroku, nadsvětelná neutrina by se při těchto měřeních měla vypařit jako pára nad hrncem. V nových výsledcích se vůbec neobjeví.
Stačí deset statečných
Nic by na tom neměl změnit ani fakt, že OPERA nebude s novým svazkem pracovat dlouho. Proud neutrin z LHC se zřejmě zastaví už šestého listopadu. Podle některých informací se sice uvažuje o prodloužení o týden, ale to zní velmi nepravděpodobně, protože by tím byl narušen dlouho připravovaný rozvrh švýcarských urychlovačů.
Robot, který na detektor OPERA vyměňuje tzv. cihly v detektoru. Ty tvoří vrstvy olova a speciálního fotomateriálu. Olova proto, že je velmi husté a snáze v něm může dojít ke srážce neutrina s atomovými částicemi. Velmi citlivý film zaznamená průlet částic. Samotné neutrino na něm zaznamenané není.
Deset dní by také mělo stačit. Experiment by měl zaznamenávat zhruba jeden úspěšný "náraz" neutrina z CERN denně. To je podstatně méně než při použití dlouhých pulsů, ale i tak malý počet pozorování by mohl stačit k diskreditaci nadsvětelných neutrin. (I když by se měření s krátkými pulzy nejspíše pro jistotu opakovala ještě příští rok.)
Kdy budeme vědět?
Hlavní otázkou zůstává, kdy se výsledek právě probíhajících zkoušek dozvíme. Z experimentu zaznívá, že by to mohlo být už za měsíc, ale oficiálně žádný termín stanoven není.
Fyzikové tedy mohou jen doufat, že Vánoce nebudou trávit bez nejpřekvapivějšího dárku, který jim letošní rok zatím připravil. Oznámení o objevu spustilo smršť publikací. Na internetu, konkrétně zejména na odborném serveru arXiv.org, se objevily stovky prací na téma fyziky neutrin. Jejich náměty se pohybují od hledání chyb v metodice měření týmu po teoretické úvahy o začlenění nadsvětelných částic do teorie relativity či vymýšlení jejích náhrad.
