Výsledky z experimentu Opera způsobily poprask. Co přesně vědci zjistili?
Na to není tak jednoduchá odpověď, musíme v tomhle ohledu být pečliví. Musíme správně oddělit pozorování od jeho interpretace. Tým pozoroval časový rozdíl v době letu částic k detektoru. Nyní se hledá nejlepší způsob, jak tohle pozorování vysvětlit.
Jak experiment probíhal?
Experiment probíhá na vzdálenosti mezi laboratoří pod italskou horou Gran Sasso a švýcarský střediskem CERN. Měří se při něm doba, za kterou tuto vzdálenost urazí sledované částice, tzv. mionová neutrina.
Kdo je Jiří ChýlaProfesor Jiří Chýla je jaderný fyzik, zabývající se teorií elementárních částic orientovanou na úzkou spolupráci s experimenty. Od počátku 90. let přednáší na Matematicko-fyzikální fakultě UK a společně s kolegy z této fakulty a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské vede Centrum částicové fyziky. Týmy z centra se podílejí na řadě důležitých experimentů v hlavních světových laboratořích fyziky částic.  Profesor Jiří Chýla |
Neutrina vznikají v CERNu ze svazku protonů. Navedou se do pevného terče, při srážce vznikne proud kladných a záporných pí mezonů. Záporné částice se odfiltrují, kladné pí mezony pokračují dále, ale po několika desítkách nebo stovkách metrů se rozpadnou na mionové neutrino a další zápornou částici. Ta se znovu odvede pryč a z tunelu tak míří proud neutrin. V Itálii se pak snaží co nejpřesněji určit místo a okamžik, kdy neutrina vzniklá v CERN zaregistrují jejich detektory. Přitom si všimli, že doba letu neutrin je o trochu kratší, než by měla být, kdyby neutrina letěla rychlostí světla. Je to málo, 60 miliardtin vteřiny, ale díky tomu, že přesnost měření je na deset miliardtin vteřiny, zaznamenali to.
Co bylo vlastně úkolem experimentu Opera? Měření rychlosti neutrin ne, že?Tenhle fantastický výsledek je jenom vedlejší produkt. Ve skutečnosti byla postavena proto, aby prokázala tzv. oscilaci neutrin. Neutrina se totiž vyskytují ve třech variantách. A podle teorií by se občas spontánně měl jeden druh měnit v jiný. Primárním cílem experimentu je hledat případy, kdy při srážce neutrina z CERNu vznikne nikoliv záporně nabitý mion, ale záporně nabitý tauon, což je částice příbuzná elektronu a záporně nabitému mionu. Takový případ byl pozorován zatím jeden a svědčí o jevu, kterému se říká oscilace neutrin. Podařilo se to letos, tuším, že v květnu. Opera bude v tomto úkolu pokračovat, protože měření rychlosti neutrin a potvrzování oscilace neutrin může probíhat současně. Nijak se neruší.
Proč Opera přišla s výsledky, které nikdo předtím nenaměřil?
Protože měří čas letu částic s přesností na deset miliardtin sekundy. Takovou přesnost žádný jiný experiment neměl. Existují totiž i jiné pokusy, které dokážou měřit dobu letu neutrina, ale žádnému se to nepodařilo tak přesně.
Co přesně udělala Opera lépe než ostatní, že dosáhla takové přesnosti?
Dokázali o řád vylepšit synchronizaci času v CERN a Gran Sasso pomocí GPS a stanovit velmi přesně okamžik, kdy došlo ke vzniku neutrina. Podrobnější a konkrétnější odpověď by vyžadovala mnoho technických detailů.
Jedna z tzv. "cihel" s fotografickou emulzí, které se v experimentu Opera používají (nepřímo) k detekci neutrin. Váží 8,3 kilogramu a najednou se jich používá zhruba sto padesát tisíc.
Dobrá, co se děje v detektoru?
Při průletu neutriny detektorem Opera dochází občas, ale ne vždy, ke srážce mionového neutrina s jádrem olova a přitom vznikne záporně nabitý mion. Ten po sobě zanechá v detektoru stopu, pomocí níž určíme místo srážky.
Co se bude dít s výsledky dál?
V tuhle chvíli je brzy na nějaké dalekosáhle spekulace, teď bude probíhat technická debata o tom, jestli jsou výsledky správně. Já se pořád spíše domnívám, že mohlo dojít k nějaké chybě v interpretaci, ale je jasné, že to není žádná zjevná chyba. Na měření se musí ovšem pečlivě podívat odborníci na experimentální fyziku. Tohle není úkol pro každého. Já jsem například teoretický fyzik, takže rozumím dobře fyzikální stránce věci, ale opravdu nemohu přísahat na to, jestli lze dopad částice měřit s přesností na deset nanosekund. Na druhou stranu ovšem vím, že dostat správně do ruky tak komplikovaný a složitý experiment jako je Opera, nějakou chvíli trvá. Není to žádná hračka, ale komplikované zařízení veliké jako dům: ležící hranol o rozměrech dvacetkrát deset krát deset metrů a váží 1300 tun. Zároveň je to mladý experiment, který funguje od roku 2006, takže se rozhodně vyplatí prověřit, jestli všechno funguje jak má.
Kudy k pramenůmZáznam přednášky, ve které tým z experimentu Opera představuje své výsledky kolegům, můžete najít na stránkách organizace CERN zde. Vědeckou zprávu z experimentu, si můžete stáhnout ze serveru arXiv. Je dostupná z této stránky. Pro úplnost dodávám i odkaz na tiskovou zprávu střediska CERN, která je zde. |
A až proběhne prověrka závěrů z Opery?
Dalším logickým krokem by bylo provést úplně identický pokus s antineutriny. To jsou antičástice, které jsou opakem neutrin. Měla by se chovat zcela stejně jako neutrina, takže bychom i u nich měli pozorovat stejný výsledek. Pokus by se dal provést úplně stejně, znovu mezi CERN a Gran Sasso. Změní se jenom to, že v CERN místo kladně nabitých pionů vyberou z produktů srážek protonů v terči záporně nabité piony, které se rozpadají právě na ona mionová antineutrina, a tak se vytvoří místo svazku mionových neutrin svazek mionových antineutrin. Výsledky by měly být zcela shodné jako v případě neutrin. Pokud ne, bude to důležitá indicie, že ve zpracování dat je někde chyba.
A co další týmy kromě vědců z Opery, jak mohou přispět?
Na světě jsou ještě tři nebo čtyři experimenty podobné Opeře, v USA a Japonsku, které by mohly provést podobná měření. Zatím nemají potřebnou přesnost měření doby letu neutrina, ale myslím, že se to dá poměrně snadno napravit. A pak by na nich měly proběhnout stejné pokusy. Ovšem výsledky nebudou hned. Opera sbírala údaje dva a půl roku. Dalších půl roku pak tým kontroloval, jestli v nich není něco špatně. Jinde to bude podobné, takže další experimentální ověření výsledku můžeme čekat až tak za dva roky. Časem by se do toho mohli zapojit i čeští fyzici. Několik našich týmů, třeba od nás z Fyzikálního ústavu či z Matematicko-fyzikální fakulty, se zapojilo do přípravy mezinárodního experimentu NOVA, který bude také detekovat neutrina. Zatím ještě neběží a měření rychlosti neutrin neměl v plánu, ale vzhledem k novým výsledkům se dá čekat, že se to změní.
Co se změní, pokud se výsledky potvrdí?
Víte, možná je to chyba mojí malé představivosti, ale já si to prostě nedovedu představit. To by byla opravdu velká revoluce. Prolamovalo by to naše základní vědomosti. Proto musíme v tomhle případě udělat všechno proto, abychom se výsledky pokusili zabít: Tedy ve smyslu hesla co mne nezabije, to mne posílí. Musíme mít jistotu, že jsou správně. Klíčové bude především potvrzení jinými týmy. V dějinách moderních fyziky se už našlo pár příkladů, kdy i zdánlivě dobré výsledky spadly pod stůl, protože se je nepodařilo ověřit jinde. Nejlepší kontrola výsledků je, když jich dosáhnou také jiní lidé, na jiném pracovišti a jiném vybavení.
Kdyby to tak bylo, došlo by na změnu teorie relativity?
Ano, a nebylo by to jenom nějaké pošolíchání, ale něco dramatického. Dnes jednoduše platí, že žádný objekt se nemůže ve vakuu pohybovat rychleji než světlo. Neutrina rychlejší než světlo se tedy teorii úplně vymykají. Víme, že u nabitých částic jako elektronů a protonů něco takového nejde, protože jsme to zkoušeli. V urychlovačích jsme dodávali spousty energie, ale jejich rychlost nebyla nikdy dost velká, aby byly rychlejší než světlo.
Takže by stačilo udělat nějakou výjimku pro neutrina?
Ne, vyžadovalo by to mnohem dramatičtější změnu, jak jsem už říkal. Něco takového by nestačilo. Ale než bychom se pustili do spekulací o časoprostoru a takových věcí, jistě bychom museli odpovědět na otázku, proč jsou zrovna neutrina tak výjimečná. Vždyť jinak jsou to povahou v podstatě obyčejné hmotné částice, jak už zhruba patnáct let víme. Můžete je zastavit, můžete je v podstatě vzít i do ruky. Kdyby se měla ale pohybovat rychleji než světlo… Víte, možná jsem skeptik proto, že si nedokážu představit, co by to znamenalo. Například by si to vynutilo základní změnu v kosmologii. Neutrina hrála na začátku vesmíru důležitou roli, ale současné modely vůbec nepočítají s tím, že by mohla být nadsvětelná. Znamenalo by to radikální změnu.
Mapka schematicky znázorňující cestu neutrin ze střediska CERN ve Švýcarsku k detektoru v italském Gran Sassu. ("Neutrino beam" je svazek neutrin.) Vzniknou v jednom z urychlovačů (ne v LHC) a poté zamíří na jih.
