Помните такую сенсацию? На БАКе обнаружили нейтрино, летящие быстрее света. До сих пор вспоминают. Да, все уже знают, в чем там дело, но теория заговора работает без сбоев. Естественно, релятивисты пришли и сделали предложение, которое невозможно отклонить.
И не БАК это, а CERN. БАК, он же LHC в Церне, но там и без БАКа хватает интересного.
Я давно хотел написать, да только и без меня уже много написано. Ну раз уж просят, то ладно. Итак.
Вот статья на Элементах, вышедшая по горячим следам. Суть опыта проста:
Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.
Там довольно большое расстояние (более 700 км), измеренное с точностью до 20 см. И можно измерить среднюю скорость нейтрино. Статистика позволяет определить доверительный диапазон, и если весь он правее с, то у нас сенсация. Вот эта самая.
В статье описано с картинками, как измеряется сигнал и сравнивается с расчетным, и как получилось отклонение с достоверностью в шесть сигм.
Далее из статьи можно узнать, что проблем такое открытие создает целый вагон, но не столько для теории относительности, сколько для квантовых теорий. Конечно, не нам пересматривать квантмех, "если чо", но там вроде бы всё даже лучше протыкано, чем в релятивистике.
Но в релятивистике всё промеряно очень неплохо. И сверхсветовое движение - это нарушение принципа причинности и реальные парадоксы. Парадоксы нельзя, значит, надо не только пересмотреть теорию, а ещё и объяснить все эксперименты.
Именно так я отвечал тогда всем, кто спрашивал. 99.999%, что найдут ошибку, а если и нет, то будет очень интересно.
Но нейтрино это нейтрино: они не могут там летать так, а тут эдак. Во всяком случае, с одной и той же энергией. Ну и:
Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.
Вопрос энергии тоже обсуждается. А ещё
...из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.
Ну и вывод:
Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.
...
Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.
Как в воду глядел.
Еще одна статья, тоже на Элементах и тоже о горячим следам, кое-в-чем дополняет предыдущую. В частности,
сверхсветовые нейтрино, двигаясь в толще Земли, должны вызывать хорошо вычисляемый процесс: когерентное рождение электрон-позитронных пар, по сути подобное черенковскому излучению. Этот процесс приводит к потерям энергии, так что все нейтрино, долетевшие до Гран-Сассо, должны иметь энергию ниже 12,5 ГэВ. Этого не наблюдается: средняя энергия детектируемых нейтрино — 17 ГэВ.
В этой статье описана релятивистская дуэль, которую я сам придумал и описал в своей заметке. Правда, здесь она описана лучше, чем у меня.
Авторы статьи завершают ее корректно (несмотря на это, часть причастных от авторства отказались):
Авторы сенсационной статьи завершают ее аккуратной фразой: «Несмотря на большую статистическую значимость... и надежность анализа, потенциальное большое значение результата заставляет нас продолжить эксперимент для расследования возможных, пока не известных систематических эффектов, способных объяснить наблюдаемую аномалию. Мы сознательно воздерживаемся от физической интерпретации результатов».
А широкая научная публика воздержаться не в состоянии. С 22 сентября опубликовано более сотни е-принтов, интерпретирующих результат. В шуме этого потока различимы эмоциональные выкрики...
А серьёзные люди понимают, что такое было бы заметно:
Более ценная и сравнительно небольшая часть статей находит новые противоречия между сверхсветовыми нейтрино и другими известными фактами. Наиболее сильная статья из этой серии — Коэна и Глэшоу (Andrew G. Cohen, Sheldon L. Glashow), в которой они демонстрируют вышеупомянутый эффект торможения сверхсветовых нейтрино через рождение пар и показывают, что из-за этого эффекта сверхсветовые нейтрино были бы прекрасно видны в больших детекторах типа IceCube, чего не наблюдается.
Переносимся в современность. Прекрасный перевод прекрасного интервью с директором проекта Эредитато:
Команда проверяла и пробовала все варианты ПО, железа, теории, которые они только могли придумать, каждый шаг, каждую исправленную ошибку, каждую крупицу полученных знаний, свидетельства того, что нейтрино, перемещающиеся быстрее света, незыблемо стояли над всем экспериментом. А потом случилось неизбежное и новости о данных просочились наружу.
То есть учёные действовали как учёным и полагается. Надо понять, в чём дело. Если бы они поняли и всё, то всё было бы тихо. Но им не дали такой возможности:
Что сказать: без комментариев? Но тогда все будут тебя обвинять, все журналисты скажут: „А, так вы что-то скрываете. Мы хотим знать, что происходит. Мы платим налоги и поддерживаем вас, у нас есть право знать!“ Или вы делаете заявление». Зловещим голосом он произносит: «Я открыл сверхсветовые нейтрино».
Там было голосование по поводу "говорить или молчать":
Против анонса проголосовало всего несколько человек. «И я их очень уважаю, и они в итоге оказались правы, из-за чего им и респект».
Я бы тоже проголосовал против.
Журналисты, конечно, всё сделали по-журналистски:
Команда не заявляла о том, что обнаружила нарушение теории относительности. Вместо этого использовались фразы вроде «свидетельство» или «открытие», а данные назвали «аномалией». Но этот ключевой нюанс потерялся в сенсации человеческого взаимодействия. И хотя в заголовке, опубликованном The New York Times, была оговорка: «Крохотные нейтрино, возможно, побили космическое ограничение скорости», её не было в статье в The Daily Telegraph («Учёные из ЦЕРН побили рекорд скорости света») или в The Guardian («Учёные заявляют об обнаружении частиц, двигающихся быстрее света»), или в Scientific American («Обнаружены частицы, движущиеся быстрее света»).
Учёные особо не возбудились:
Физическое сообщество восприняло новости со скептицизмом, и даже цинизмом. Ни один практикующий профессиональный физик не был готов отказаться от СТО.
Я тогда не знал ТО так, как сейчас, но тоже был уверен. Причём я понимаю и Эредитато, который пошёл до конца. Романтичное "а вдруг?" с одной стороны, но скучное "надо разобраться" с другой: оба говорят "иди до конца". Я бы тоже пошёл.
Проекту оказали помощь, эксперимент повторили:
На перенастройку луча нейтрино, выполнение эксперимента и анализ результатов ушло два месяца — беспрецедентно быстро для такого сложного эксперимента. И измерения превышения скорости света никуда не делись. «И тогда мне стало страшно, — говорит Эредитато.
И мне бы стало.
Но в науке мало получить результат, противоречащий всему. Надо его подтвердить независимо:
Следующим шагом было получить независимое подтверждение от источника вне OPERA, как это принято.
В этом вся штука, которую не понимают малограмотные антирелятивисты, полощущие данную историю. Я однажды измерил широту по Солнцу и получил 80 градусов. Под Питером! Я получил! И... дальше что?
...на базе Гран-Сассо был ещё один эксперимент, Large Volume Detector (LVD), который, по крайней мере, мог проверить систему подсчёта времени на OPERA. Идея состояла в том, чтобы убедиться, что часы обоих экспериментов были синхронизованы, сравнивая время прибытия космических лучей из мюонов в обоих детекторах.
И сверка позволила найти целых две проблемы:
Источником проблем с таймером оказался оптоволоконный кабель, передававший сигналы времени с GPS с поверхности Гран-Сассо на глубину ... где был расположен детектор... У кабеля было две хитрых проблемы: во-первых, он был плохо подсоединён, так, что можно было ожидать, что приёмник вообще не будет воспринимать сигналы с него. Если приёмник видит свет, он должен запускать гонку нейтрино к детектору. Если приёмник не видит свет, запуска быть не должно. Но в результате всё получалось не так. Вместо этого этому приёмнику требовалось порядка 73 нс на то, чтобы набрать достаточно световой энергии для запуска нейтрино и активации электроники. В результате электроника отмечала старт нейтрино через 73 нс после того, как они реально покидали стартовую черту в ЦЕРН. «Я мог ожидать, что сигнал либо есть, либо нет. Но сигналов с задержкой не бывает», — говорит Эредитато. Во-вторых, коннектор кабеля, судя по всему, был сдвинут. «Кабель был нормально воткнут где-то за неделю до того, как мы начали сбор данных, и был нормально воткнут, когда мы всё проверяли заново, — говорит Эредитато. — Подлость в том, что между этими событиями, когда мы собирали данные по скорости нейтрино, кабель был воткнут как-то не так».
Ну и хеппиенд:
После нахождения и исправления ошибки измерения скорости нейтрино на OPERA получаются самыми точными в мире. И они идеально соответствуют СТО Эйнштейна.
Давайте предположим, что теоретики надавили на Церн и те признали всё, что от них потребовали: "как подрезал, как обгонял". Но с правильно воткнутыми кабелями всё сошлось, вот в чём фишка! Сошлось. Конечно, можно не верить, так и изначальным результатам можно было не верить.
Кабелей, кстати, там несколько тысяч.
В марте 2012, когда пыль улеглась, коллаборация OPERA провела ещё одно голосование, чтобы определить, уверены ли участники в лидерах проекта. ... Голосование завершилось с результатом 16 против 13 в пользу выражения недоверия, несколько голосовавших воздержалось. Это было далеко от необходимых 2/3 голосов, чтобы считаться большинством и провести импичмент руководства, но достаточно для того, чтобы сообщение было услышано. Лидер OPERA, Эредитато и координатор экспериментов, Дариа Аутиеро, подали в отставку.
То есть они сами ушли. Разумеется, можно опять вспомнить Марио Пьюзо, но сколько можно-то. Эредитато в науке остался, причем на руководящих должностях, он директор лаборатории и изучает нейтрино. Очень деликатная у нас мафия, аж слёзы на ресницах.
Ну и вот ещё интересное:
Должна ли была их лояльность к СТО вынудить их подождать, пока проблема не найдётся? Нет, они тогда шли бы на поводу у абсурдной концепции, согласно которой учёные должны следовать некоему научному кредо.
Я бы подождал, потому что я знаю, что СТО верна, так же точно знаю, как что Земля круглая, а 6*7=42. А они почему-то не боялись последствий, а вот пропустить интересный результат - боялись.
В общем-то, интересная и поучительная история. Ещё раз подтвердившая нашу теорию относительности.
Напоследок немного юмора. На эксперимент по нейтринному пучку сослался чувак, который сами нейтрино отрицает. Так хотелось теорию относительности опровергнуть, что про логику забыл совсем. А может, и не знал никогда...