Nurdan tezroq neytrin anomaliyasi - Faster-than-light neutrino anomaly

1-rasm Engil neytrinolardan tezroq. OPERA nimani ko'rdi. Chap tomon - CERN SPS tezlatgichidan proton nuridir. U nurli oqim transformatoridan (BCT) o'tib, nishonga urilib, avval pionlarni, so'ngra parchalanish tunnelida neytronlarni hosil qiladi. Qizil chiziqlar OPERA detektori joylashgan LNGS laboratoriyasiga CERN neytrinosidan Gran Sasso (CNGS) nuridir. Proton nurlari BCT da belgilanadi. Chap to'lqin shakli - bu protonlarning o'lchangan taqsimoti va aniqlangan OPERA neytrinosining o'ng tomoni. Shift - bu neytrinoning harakatlanish vaqti. Bosib o'tilgan masofa taxminan 731 km. Yuqorida ikkala sayt uchun umumiy soatni ta'minlaydigan GPS sun'iy yo'ldoshlari mavjud, bu vaqtni taqqoslash imkonini beradi. Faqat PolaRx GPS qabul qiluvchisi yer usti va tolali kabellar vaqtni er ostiga olib keladi.
Shakl.1 Nima OPERA ko'rdim. Chap tomonda proton dan nur CERN SPS tezlatgich. U nurli oqim transformatoridan (BCT) o'tadi, maqsadni uradi, avval yaratadi, pionlar va keyin, chirigan tunnelning bir joyida, neytrinlar. Qizil chiziqlar CERN neytrinosidan Gran Sassoga (CNGS) nurlari LNGS OPERA detektori joylashgan laboratoriya. Proton nurlari BCT da belgilanadi. Chap to'lqin shakli - bu protonlarning o'lchangan taqsimoti va aniqlangan OPERA neytrinosining o'ng tomoni. Shift - bu neytrinoning harakatlanish vaqti. Bosib o'tilgan masofa taxminan 731 km. Yuqorida GPS har ikkala saytga umumiy soatni taqdim etadigan sun'iy yo'ldoshlar, vaqtni taqqoslash mumkin. Faqat PolaRx GPS qabul qiluvchisi yer usti va tolali kabellar vaqtni er ostiga olib keladi.

2011 yilda OPERA tajribasi yanglish kuzatilgan neytrinlar sayohat qilish uchun paydo bo'lish nurdan tezroq. Xato aniqlangunga qadar ham natija g'ayritabiiy deb topilgan, chunki vakuumdagi yorug'lik tezligidan yuqori tezliklar odatda buzmoq bir asrdan ko'proq vaqt davomida fizikani zamonaviy tushunchasining asosi bo'lgan maxsus nisbiylik.[1][2]

OPERA olimlari tajriba natijalarini e'lon qilishdi 2011 yil sentyabr keyingi so'rov va munozaralarni ilgari surish niyatida. Keyinchalik jamoa o'zlarining uskunalarini o'rnatishda ikkita xato haqida xabar berishdi, bu ularning asl nusxasidan ancha uzoqroq bo'lgan xatolarga olib keldi ishonch oralig'i: a optik tolali kabel noto'g'ri ulangan, bu yorug'likdan ko'ra tezroq o'lchovlarga olib keldi va soat osilatori juda tez yurib ketdi.[3] Xatolar avval OPERA tomonidan a dan keyin tasdiqlandi ScienceInsider hisobot;[4] ushbu ikkita xato manbasini hisobga olgan holda nurdan tezroq natijalar yo'q qilindi.[5][6]

2012 yil mart oyida kollokatsiya qilingan ICARUS tajribasi 2011 yil noyabr oyida xuddi shu qisqa impulsli OPERA nurida yorug'lik tezligiga mos keladigan neytrin tezligi haqida xabar berilgan. ICARUS OPERA-dan qisman boshqacha vaqt tizimidan foydalangan va etti xil neytrinoni o'lchagan.[7] Bundan tashqari, Gran Sasso tajribalari BOREXINO, ICARUS, LVD va OPERA barcha may oyida neytrin tezligini qisqa impulsli nur bilan o'lchagan va yorug'lik tezligi bilan kelishuvga erishgan.[8]

2012 yil 8-iyun kuni CERN tadqiqot direktori Serxio Bertoluchchi to'rtta Gran Sasso guruhi, shu qatorda OPERA nomidan neytrinoning tezligi yorug'likka mos kelishini e'lon qildi. Kioto shahrida bo'lib o'tgan 25-chi neytino fizikasi va astrofizikasi bo'yicha xalqaro konferentsiyadan tayyorlangan press-relizda OPERA-ning dastlabki natijalari uskunalarning nosozligi sababli noto'g'ri bo'lganligi aytiladi.[8]

2012 yil 12-iyulda OPERA o'zlarining hisobotlarida xatolarning yangi manbalarini qo'shib o'z maqolalarini yangiladi. Ular neytrin tezligining yorug'lik tezligi bilan kelishuvini topdilar.[9]

Bugungi kunga qadar o'tkazilgan tajribalarning cheklangan aniqligi asosida neytrinoning yorug'lik tezligiga "mos" tezligi kutilmoqda. Neytrinoslarda bor kichik, ammo nolga teng bo'lmagan massa va shuning uchun maxsus nisbiylik ular yorug'likka nisbatan sekinroq tezlikda tarqalishi kerakligini bashorat qilmoqda. Shunga qaramay, ma'lum bo'lgan neytrin ishlab chiqarish jarayonlari neytrinoning massa masshtabidan ancha yuqori energiya beradi va shuning uchun deyarli barcha neytrinlar ultrarelativistik, yorug'lik tezligiga juda yaqin tezlikda tarqaladi.

Aniqlash

Tajriba neytrinoning bir shaklini yaratdi, muon neytrinos, da CERN yoshi kattaroq SPS Frantsiya-Shveytsariya chegarasida joylashgan tezlatgich va ularni Italiyaning Gran Sasso shahridagi LNGS laboratoriyasida aniqladi. OPERA tadqiqotchilari foydalangan umumiy ko'rinadigan GPS, neytronlar yaratilgan va aniqlangan vaqtni va koordinatalarni joylashtirish uchun standart GPS-dan olingan. Hisoblanganidek, o'rtacha neytrinolar parvoz vaqti vakuumda bir xil masofani bosib o'tish uchun zarur bo'lgan yorug'likdan kamroq bo'lib chiqdi. Ikki hafta ichida 6-noyabr, OPERA guruhi o'lchovni neytrinlarni hosil qilishning boshqa usuli bilan takrorladi, bu har bir aniqlangan neytrinoning harakatlanish vaqtini alohida o'lchashga yordam berdi. Bu aniqlangan neytronlarni ularni yaratilish vaqtiga moslashtirish bilan bog'liq ba'zi mumkin bo'lgan xatolarni bartaraf etdi.[10]OPERA hamkorligi dastlabki press-relizida natijalarni aniq tasdiqlash yoki rad etish uchun qo'shimcha tekshirish va mustaqil testlar zarurligini ta'kidladi.[8]

Birinchi natijalar

A 2011 yil mart ularning ma'lumotlarini tahlil qilib, OPERA hamkorligi olimlari Jenevadagi CERNda ishlab chiqarilgan va Italiyaning Gran Sasso shahridagi OPERA detektorida qayd etilgan neytrinoning nurdan ko'ra tezroq harakat qilganligi haqida dalillarni keltirdilar. Neytrinolar vakuumda bir xil masofani bosib o'tgan taqdirda yorug'likdan 60,7 nanosekundaga (soniyaning 60,7 milliarddan biri) tezroq etib kelgan deb hisoblangan. Olti oylik o'zaro tekshiruvdan so'ng, kuni 2011 yil 23 sentyabr, tadqiqotchilar neytrinoning yorug'lik tezligidan yuqori tezlikda harakatlanishi kuzatilganligini e'lon qilishdi.[11] Shunga o'xshash natijalar yuqori energiyali (28 GeV) neytrinlar yordamida olingan, ular neytrinoning tezligi ularning energiyasiga bog'liqligini tekshirgan. Zarrachalar detektorga yorug'likka qaraganda tezroq etib borishi 40000 uchun taxminan bir qism bilan o'lchangan, natijada 0,2 million millionlik natija noto'g'ri musbat, taxmin qilish xato butunlay tasodifiy effektlarga bog'liq edi (oltita sigmaning ahamiyati ). Ushbu o'lchov o'lchovdagi xatolar va ishlatilgan statistik protseduradagi xatolar uchun taxminlarni o'z ichiga olgan. Biroq, bu aniqlik o'lchovi emas edi aniqlik, noto'g'ri hisoblash yoki asboblarning noto'g'ri o'qilishi kabi elementlar ta'sir qilishi mumkin.[12][13] To'qnashuv ma'lumotlarini o'z ichiga olgan zarralar fizikasi tajribalari uchun kashfiyot e'lonining standarti beshta sigma xato chegarasi bo'lib, kuzatilgan olti sigma chegarasidan bo'shroq.[14]

Tadqiqotning dastlabki nashrida "[kuzatilgan] neytrin tezligining chetga chiqishi v [nurning vakuumdagi tezligi] neytrin sektoridagi yangi fizikaga ishora qiluvchi ajoyib natijadir "va" CNGS muon neytrinosining erta kelish vaqti "ni" anomaliya "deb atadi.[15] OPERA vakili Antonio Ereditato OPERA jamoasi "o'lchov natijasini tushuntiradigan biron bir instrumental ta'sir topmaganligini" tushuntirdi.[8] CERN vakili Jeyms Gillies 22-sentabr kuni aytishicha, olimlar "kengroq fizika jamoatchiligini qilgan ishlariga qarashga va haqiqatan ham uni batafsil o'rganishga va dunyoning boshqa joylaridan kimdir buni takrorlashlariga taklif qilmoqdalar". o'lchovlar ".[16]

Ichki replikatsiya

2-rasm Ichki replikatsiyani tahlil qilish. Qayta tiklangan nur bilan aniqlangan har bir aniqlangan neytrinoning erta kelishi qiymatlarining taqsimlanishi. O'rtacha qiymat qizil chiziq va ko'k tasma bilan ko'rsatilgan.
Shakl.2 Noyabr oyida ichki replikatsiya tahlili. Qayta tiklangan nur bilan aniqlangan har bir aniqlangan neytrinoning erta kelishi qiymatlarining taqsimlanishi. O'rtacha qiymat qizil chiziq va ko'k tasma bilan ko'rsatilgan.

Noyabr oyida OPERA aniq natijalarni e'lon qildi, unda ular xato bo'lish ehtimoli kamligini ta'kidladilar va shu bilan ularning xato chegaralarini kuchaytirdilar. Neytrinos yorug'lik tezligida sayohat qilganidan taxminan 57,8 ns oldin kelib, yorug'lik tezligiga nisbatan 42000 ga nisbatan bir qismning nisbiy tezligi farqini beradi. Yangi ahamiyat darajasi 6,2 sigma bo'ldi.[17] Hamkorlik o'z natijalarini tanqidiy nashrga taqdim etdi Yuqori energiya fizikasi jurnali.[18][19]

Xuddi shu maqolada, OPERA hamkorligi, takroriy eksperiment natijalarini chop etdi 2011 yil 21 oktyabr ga 2011 yil 7-noyabr. Ular asosiy tahlil natijalari bilan kelishilgan holda, taxminan 62,1 ns neytrinoning erta kelishini ko'rsatuvchi yigirma neytrinoni aniqladilar.[20]

O'lchovdagi xatolar

2012 yil fevral oyida OPERA hamkorligi natijalarga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin bo'lgan ikkita xato manbasini e'lon qildi.[8]

  • GPS-qabul qiluvchidan OPERA master-soatiga bog'lanish bo'sh edi, bu esa tolalar orqali kechikishni oshirdi. Favqulodda vaziyat neytrinoning uchish vaqtini 73 ns ga qisqartirishi va ularni nurdan tezroq ko'rinishiga olib keldi.[21][22]
  • Elektron platadagi soat kutilgan 10 MGts chastotadan tezroq urilib, neytrinoning uchish vaqtini uzaytirdi va shu bilan nurdan tezroq ko'rinadigan effektni biroz pasaytirdi. OPERA ushbu komponent uning texnik shartlaridan tashqarida ishlaganligini aytdi.[23]

2012 yil mart oyida an LNGS ma'lumotlar yig'ish paytida tolali kabel to'liq burilmaganligini tasdiqlovchi seminar bo'lib o'tdi.[5] LVD tadqiqotchilari 2007-2008, 2008-2011 va 2011-2012 yillarda OPERA-ga va yaqin atrofdagi LVD detektoriga urilgan kosmik yuqori energiya muonlari uchun vaqt ma'lumotlarini taqqosladilar. 2008-2011 yillarda olingan o'zgarish OPERA anomaliyasi bilan kelishilgan.[24] Tadqiqotchilar, shuningdek, 2011 yil 13 oktyabrgacha kabelning bo'shashganligini ko'rsatadigan fotosuratlarni topdilar.

Yangi topilgan ikkita xato manbasini to'g'irlash, neytrin tezligi natijalari yorug'lik tezligiga mos keladi.[5]

Yakuniy natijalar

2012 yil 12 iyulda OPERA hamkorligi 2009-2011 yillardagi o'lchovlarining yakuniy natijalarini e'lon qildi. Neytrinoning o'lchangan va kutilgan kelish vaqti o'rtasidagi farq (yorug'lik tezligiga nisbatan) taxminan 6,5 ± 15 ns. Bu hech qanday farq bilan mos keladi, shuning uchun neytrinoning tezligi xato chegarasidagi yorug'lik tezligiga mos keladi. Shuningdek, 2011 yildagi qayta tiklangan nurni qayta tahlil qilish shunga o'xshash natijani berdi.[9]

Mustaqil replikatsiya

Asosiy maqola: Neytrin tezligining o'lchovlari

2012 yil mart oyida birgalikda joylashgan ICARUS tajribasi neytrin tezligini yorug'lik deb o'lchash orqali OPERA natijalarini rad etdi.[7] ICARUS 2011 yil noyabr oyida xuddi shu qisqa impulsli OPERA nurida yetti neytrinoning tezligini o'lchagan va ularni o'rtacha yorug'lik tezligida harakat qilgan. Natijalar may oyiga mo'ljallangan neytrin-tezlik o'lchovlarining sinov natijalari edi.[25]

2012 yil may oyida CERN tashabbusi bilan yangi dastani qayta ishlash boshlandi. Keyin 2012 yil iyun oyida CERN tomonidan to'rtta Gran Sasso OPERA, ICARUS, LVD va BOREXINO eksperimentlari neytrin tezligini yorug'lik tezligiga mos ravishda o'lchaganligi e'lon qilindi va bu OPERA ning dastlabki natijasi uskunalar xatolaridan kelib chiqqanligini ko'rsatdi.[8]

Bundan tashqari, Fermilab MINOS loyihasi detektorlari yangilanayotganini aytdi.[26] Fermilab olimlari yaqindan tahlil qildilar va ularning vaqt tizimidagi xatolarga chek qo'ydilar.[27] 2012 yil 8-iyun kuni MINOS dastlabki natijalarga ko'ra neytrin tezligi yorug'lik tezligiga mos kelishini e'lon qildi.[28]

O'lchov

OPERA eksperimenti neytrinoning turli xil identifikatorlar o'rtasida qanday o'zgarishini aniqlash uchun ishlab chiqilgan, ammo Autiero ushbu uskunadan neytrinoning tezligini aniq o'lchash uchun ham foydalanish mumkinligini tushundi.[29] Dan oldingi natija MINOS da tajriba Fermilab o'lchov texnik jihatdan amalga oshirilishini namoyish etdi.[30] OPERA neytrin tezligi tajribasining printsipi neytrinoning harakatlanish vaqtini yorug'likning harakatlanish vaqtiga taqqoslash edi. Eksperimentdagi neytrinlar CERNda paydo bo'ldi va OPERA detektoriga uchib ketdi. Tadqiqotchilar ushbu masofani neytrinoning harakatlanish vaqti qanday bo'lishini taxmin qilish uchun vakuumdagi yorug'lik tezligiga bo'lishdi. Ular ushbu kutilgan qiymatni o'lchangan sayohat vaqtiga solishtirdilar.[31]

Umumiy nuqtai

OPERA guruhi o'lchash uchun CERN-dan LNGS ga, CERN Neutrinos-dan Gran Sasso nuriga uzluksiz harakatlanadigan allaqachon mavjud neytrin nurlaridan foydalangan. Tezlikni o'lchash deganda, neytrinoning o'z manbasidan aniqlangan joyigacha bo'lgan masofasini va ular shu uzunlikni bosib o'tish vaqtini o'lchash kerak edi. CERN-dagi manba LNGS (Gran Sasso) detektoridan 730 kilometrdan ko'proq masofada joylashgan. Tajriba hiyla-nayrang edi, chunki individual neytrinoning vaqtini topishning iloji yo'q edi, bu esa yanada murakkab bosqichlarni talab qiladi. Ko'rsatilgandek Shakl.1, CERN protonlarni urish orqali neytronlarni 10,5 uzunlikdagi impulslarda hosil qiladimikrosaniyalar (Soniyaning 10,5 milliondan bir qismi), grafit nishoniga aylanib, oraliq zarralarni hosil qiladi, ular neytronoga aylanadi. OPERA tadqiqotchilari protonlarni nur oqimi o'tkazgichi (BCT) deb nomlangan qismdan o'tayotganda o'lchab, transduserning pozitsiyasini neytrinoning boshlang'ich nuqtasi sifatida qabul qildilar. Protonlar aslida yana bir kilometrga neytrinlar yaratmadi, lekin ikkala proton ham, oraliq zarrachalar ham deyarli yorug'lik tezligi, taxmindan xato maqbul darajada past edi.

CERN va LNGS soatlari sinxronlashtirilishi kerak edi va buning uchun tadqiqotchilar har ikkala joyda ham atom soatlari bilan ta'minlangan yuqori sifatli GPS qabul qiluvchilaridan foydalanishdi. Ushbu tizim proton impulsini ham, aniqlangan neytrinoni ham belgilangan vaqt bo'yicha talab qilingan 2,3 nanosaniyada aniqladi. Ammo vaqt tamg'asini soat kabi o'qib bo'lmaydi. CERN-da GPS signallari faqat markaziy boshqaruv xonasidagi qabul qiluvchiga kelib tushdi va proton impulsini o'lchaydigan yozilgan neytrin-nurni boshqarish xonasida kompyuterga kabellar va elektronika bilan uzatilishi kerak edi (Shakl.3 ). Ushbu uskunaning kechikishi 10,085 nanosekundiyani tashkil etdi va bu qiymat vaqt shtampiga qo'shilishi kerak edi. Transduserdan olingan ma'lumotlar kompyuterga 580 nanosekundalik kechikish bilan kelib tushdi va bu qiymat vaqt shtampidan chiqarilishi kerak edi. Barcha tuzatishlarni to'g'ri qabul qilish uchun fiziklar kabellarning aniq uzunligini va elektron qurilmalarning kechikishini o'lchashlari kerak edi. Detektor tomonida neytrinalar ular hosil qilgan yorug'lik bilan emas, balki ular tomonidan ishlab chiqarilgan zaryad bilan aniqlandi va bu vaqt zanjirining bir qismi bo'lgan kabellar va elektronikani o'z ichiga olgan. Shakl.4 OPERA detektori tomonida qo'llaniladigan tuzatishlarni ko'rsatadi.

Neytrinlarni ularni ishlab chiqaradigan protonlarga aniq qarab bo'lmaydiganligi sababli, o'rtacha hisoblash usulidan foydalanish kerak edi. Tadqiqotchilar o'lchangan proton impulslarini qo'shib, alohida protonlarning pulsdagi vaqtining o'rtacha taqsimlanishini olishdi. Gran Sassoda neytrinlar aniqlangan vaqt yana bir tarqatish uchun rejalashtirilgan. Ikkala taqsimotning o'xshash shakllari bo'lishi kutilgan edi, lekin ularni 2.4 bilan ajratish kerak edimillisekundlar, masofani engil tezlikda bosib o'tishga ketadigan vaqt. Eksperimentatorlar algoritmdan foydalanishdi, maksimal ehtimollik, ikkita taqsimotni bir-biriga mos keladigan vaqt o'zgarishini qidirish. Shunday qilib hisoblab chiqilgan siljish, statistik jihatdan o'lchangan neytrinoning kelish vaqti, faqat yorug'lik tezligida sayohat qilganida, 2,4 millisekundalik neytrinodan 60 nanosekundaga qisqa bo'lgan. Keyingi tajribada proton impulsining kengligi 3 nanosekundagacha qisqartirildi va bu olimlarga har bir aniqlangan neytrinoning hosil bo'lish vaqtini shu oraliqda qisqartirishga yordam berdi.[32]

Masofani o'lchash

Masofa global koordinatalar tizimidagi manba va detektor nuqtalarini aniq belgilash orqali o'lchandi (ETRF2000 ). CERN geodezistlari GPS yordamida manbaning joylashishini o'lchashda foydalangan. Detektor tomonida OPERA guruhi geodeziya guruhi bilan ishlagan Rim Sapienza universiteti GPS va standart xaritalarni yaratish texnikasi bilan detektor markazini topish. Yer usti GPS joylashuvini er osti detektori koordinatalari bilan bog'lash uchun laboratoriyaga kirish yo'lida transport harakati qisman to'xtatilishi kerak edi. Ikki joylashishni o'lchashni birlashtirib, tadqiqotchilar masofani hisoblashdi,[33] 730 km yo'l bo'ylab 20 sm aniqlikda.[34]

Safar vaqtini o'lchash

Shakl 3 CERN SPS / CNGS vaqtni o'lchash tizimi. Protonlar SPS-da aylanma oqim transformatoriga (BCT) va nishonga signal berguncha aylanadi. BCT o'lchovning kelib chiqishi hisoblanadi. Ikkala Kicker signali va BCT-dagi proton oqimi to'lqin formati raqamlashtiruvchisiga (WFD) etib boradi, birinchisi Control Timing Receiver (CTRI) orqali. WFD protonlarning tarqalishini qayd qiladi. Umumiy CNGS / LNGS soatlari GPS-dan PolaRx qabul qiluvchisi va markaziy CTRI orqali keladi, u erda CERN UTC va General Machine Timing (GMT) ham keladi. Ikkala havolalar orasidagi farq qayd etiladi. X ± y markeri, 'y' ns xato bilan bog'liq bo'lgan 'x' nanosaniyali kechikishni bildiradi.
Shakl.3 CERN SPS / CNGS vaqtni o'lchash tizimi. Protonlar SPS-da aylanma oqim transformatoriga (BCT) va nishonga signal berguncha aylanadi. BCT o'lchovning kelib chiqishi hisoblanadi. Ikkala Kicker signali va BCT-dagi proton oqimi to'lqin formati raqamlashtiruvchisiga (WFD) etib boradi, birinchisi Control Timing Receiver (CTRI) orqali. WFD protonlarning tarqalishini qayd qiladi. Umumiy CNGS / LNGS soatlari GPS-dan PolaRx qabul qiluvchisi va markaziy CTRI orqali keladi, u erda CERN UTC va General Machine Timing (GMT) ham keladi. Ikkala havolalar orasidagi farq qayd etiladi. Marker x ± y "y" ns xato bilan bog'liq bo'lgan "x" nanosaniyali kechikishni bildiradi.
4-rasm. LNGS-da OPERA vaqtni o'lchash tizimi: vaqt zanjirining turli kechikishlari va xatoning standart og'ishlari. Rasmning yuqori yarmi umumiy GPS soat tizimi (PolaRx2e - GPS qabul qiluvchisi), pastki qismi esa er osti detektori. Elyaf kabellari GPS soatini ostiga olib keladi. Er osti detektori tt-lentadan FPGA gacha bo'lgan bloklardan iborat. Har bir komponent uchun xatolar x ± y sifatida ko'rsatiladi, bu erda x vaqtni uzatishda komponent tomonidan yuzaga keladigan kechikish va y kutilayotgan kechikish bilan bog'liq.
Shakl.4 LNGS da OPERA vaqtni o'lchash tizimi: vaqt zanjirining turli kechikishlari va xatoning standart og'ishlari. Rasmning yuqori yarmi umumiy GPS soat tizimi (PolaRx2e - GPS qabul qiluvchisi), pastki qismi esa er osti detektori. Elyaf kabellari GPS soatini ostiga olib keladi. Er osti detektori tt-lentadan FPGA gacha bo'lgan bloklardan iborat. Har bir komponent uchun xatolar x ± y sifatida ko'rsatiladi, bu erda x vaqtni uzatishda komponent tomonidan yuzaga keladigan kechikish va y kutilayotgan kechikish bilan bog'liq.
OPERA eksperimentining ikki uchida vaqtni hisoblash tizimlari

Neytrinlarning harakatlanish vaqtini ular yaratilgan vaqtni va ular aniqlangan vaqtni kuzatib borish va vaqt sinxronlashishini ta'minlash uchun umumiy soat yordamida o'lchash kerak edi. Sifatida Shakl.1 Ko'rsatkichlarga ko'ra, vaqtni o'lchash tizimiga CERNdagi neytrin manbai, LNGS (Gran Sasso) detektori va ikkalasiga ham tegishli sun'iy yo'ldosh elementi kiritilgan. Umumiy soat CERN va LNGS-dan ko'rinadigan bir nechta GPS sun'iy yo'ldoshlaridan vaqt signalidir. CERN nurlari bo'limi muhandislari OPERA guruhi bilan aniq GPS qabul qiluvchilaridan foydalanib, CERNdagi manba va OPERA detektori elektronikasi oldidagi nuqta o'rtasida harakatlanish vaqtini o'lchashni ta'minladilar. Bunga proton nurlarining CERNdagi o'zaro ta'sirini belgilash vaqti va neytrinosgacha parchalanadigan oraliq zarralarni yaratish vaqti kiritilgan (qarang. Shakl.3 ).

OPERA tadqiqotchilari CERN hisob-kitobiga kiritilmagan qolgan kechikishlar va kalibrlarni o'lchashdi Shakl.4. Neytrinlar er osti laboratoriyasida aniqlandi, ammo GPS sun'iy yo'ldoshlaridan umumiy soat faqat er sathidan yuqori ko'rinardi. Yer yuzida qayd etilgan soat qiymati er osti detektoriga 8 km tolali kabel orqali uzatilishi kerak edi. Vaqtni o'tkazish bilan bog'liq kechikishlar hisoblashda hisobga olinishi kerak edi. Xato qanchalik farq qilishi mumkin ( standart og'ish xatolar) tahlil qilish uchun muhim bo'lgan va vaqt zanjirining har bir qismi uchun alohida hisoblanishi kerak edi. Umumiy hisoblashning bir qismi sifatida zarur bo'lgan tolaning uzunligini va natijada uning kechikishini o'lchash uchun maxsus texnikadan foydalanilgan.[33]

Bundan tashqari, standart GPS 100 nanosekundadan 1 nanosekundagacha aniqlikni oshirish metrologiya OPERA tadqiqotchilari foydalangan laboratoriyalar Septentrioning aniq PolaRx2eTR GPS vaqtini qabul qilish moslamasi,[35] soatlar bo'yicha izchillik tekshiruvlari (vaqtni kalibrlash tartib-qoidalari) bilan birga umumiy ko'rinishdagi vaqt o'tkazish. PolaRx2eTR atom soati va har birining orasidagi vaqtni almashtirishni o'lchashga imkon berdi Global navigatsiya sun'iy yo'ldosh tizimi sun'iy yo'ldosh soatlari. Kalibrlash uchun uskunalar Shveytsariya metrologiya instituti (METAS).[33] Bundan tashqari, GPS vaqtini o'zaro tekshirish va uning aniqligini oshirish uchun LNGS va CERN-da juda barqaror seziy soatlari o'rnatildi. OPERA topgandan keyin superluminal Natijada, vaqtni kalibrlash CERN muhandisi tomonidan ham tekshirildi Germaniya metrologiya instituti (PTB).[33] Nihoyat parvoz vaqti 10 nanosekundalik aniqlikda o'lchandi.[8][36] Yakuniy xatolik, alohida qismlar uchun xatoning dispersiyasini birlashtirish yo'li bilan olingan.

Tahlil

OPERA guruhi natijalarni har xil usulda va turli eksperimental usullardan foydalangan holda tahlil qildi. Sentyabr oyida e'lon qilingan dastlabki asosiy tahlildan so'ng, noyabr oyida yana uchta tahlil ommaga e'lon qilindi. Noyabr oyidagi asosiy tahlilda mavjud bo'lgan barcha ma'lumotlar qayta tahlil qilindi, masalan, kabi boshqa omillar uchun tuzatishlar kiritildi Sagnac effekti unda Yerning aylanishi neytrinoning bosib o'tgan masofasiga ta'sir qiladi. Keyin alternativ tahlil neytrinoning ularni yaratilish vaqtiga mos kelishining boshqa modelini qabul qildi. Noyabr oyining uchinchi tahlili neytrinlarni yaratish usulini o'zgartirgan boshqa eksperimental o'rnatishga ("qayta ishlash") qaratilgan.

Dastlabki o'rnatishda har bir aniqlangan neytrin 1000 nanosekundada (10,5 mikrosaniyada) ishlab chiqarilgan bo'lar edi, chunki bu neytronlarni hosil qiluvchi proton nurlarining to'kilishi edi. To'kilmasdan neytrinoning ishlab chiqarish vaqtini ajratish mumkin emas edi. Shuning uchun, OPERA guruhi asosiy statistik tahlillarida CERN da proton to'lqin shakllarining modelini yaratdilar, turli xil to'lqin shakllarini birlashtirdilar va neytrinlarning turli vaqtlarda (global ehtimollik zichligi funktsiyasi neytrinoning emissiya vaqtlari). Keyin ular ushbu fitnani aniqlangan 15223 ta neytrinoning kelish vaqtlari sxemasi bilan taqqosladilar. Ushbu taqqoslash shuni ko'rsatadiki, neytrinlar detektorga 57,8 nanosekundaga etib borgan, ular vakuumda yorug'lik tezligida harakat qilgandan ko'ra. Har bir aniqlangan neytrinoning unga bog'liq bo'lgan proton to'kilmasin (global ehtimollik zichligi funktsiyasi o'rniga) to'lqin shakliga qarab tekshirilgan muqobil tahlil taxminan 54,5 nanosekundaga mos natijaga olib keldi.[37]

Noyabrda 57,8 nanosekundaga etib borishini ko'rsatgan noyabr oyidagi asosiy tahlil qochish uchun ko'r-ko'rona o'tkazildi kuzatuvchilar tarafkashligi Shunday qilib, tahlilni olib boruvchilar natijani kutilmagan qiymatlarga qarab tasodifiy ravishda sozlashlari mumkin. Shu maqsadda dastlab 2006 yildagi masofalar va kechikishlar uchun eski va to'liq bo'lmagan qiymatlar qabul qilindi. Oxirgi tuzatish hali ma'lum bo'lmaganligi sababli, oraliq kutilgan natija ham noma'lum edi. Ushbu "ko'r" sharoitda o'lchov ma'lumotlarini tahlil qilish erta neytrinoning 1043,4 nanosekundaga yetishini ta'minladi. Keyinchalik, xatolar to'liq va haqiqiy manbalarini hisobga olgan holda ma'lumotlar yana tahlil qilindi. Agar neytrino va yorug'lik tezligi bir xil bo'lsa, tuzatish uchun ayirboshlash qiymati 1043,4 nanosaniyani olish kerak edi. Shu bilan birga, olib tashlashning haqiqiy qiymati atigi 985,6 nanosekundani tashkil etdi, bu kutilganidan 57,8 nanosekundagacha kelish vaqtiga to'g'ri keladi.[17]

Natijaning ikki tomoni neytrinlar hamjamiyatida alohida tekshiruvdan o'tdi: GPS sinxronlash tizimi va neytronlarni keltirib chiqaradigan proton nurlarining tarqalishi.[11] Ikkinchi xavotir noyabr oyidagi takroriy ishda ko'rib chiqildi: ushbu tahlil uchun OPERA olimlari yangi CERN proton nurlari yordamida o'lchovni xuddi shu asosda takrorladilar, bu esa nurni faollashtirish paytida neytrin ishlab chiqarish tafsilotlari haqida har qanday taxminlar qilish zarurligini chetlab o'tdi, masalan. energiya taqsimoti yoki ishlab chiqarish darajasi. Ushbu nur har biri 3 nanosekundadan iborat proton impulslarini 524 nanosekundagacha bo'shliqlar bilan ta'minladi. Bu aniqlangan neytrinoning o'ziga xos 3 nanosekundalik zarbasi bilan kuzatilishi mumkin degan ma'noni anglatadi va shu sababli uning boshlanish va tugash vaqtini bevosita qayd etish mumkin. Shunday qilib, neytrinoning tezligini endi statistik xulosaga murojaat qilmasdan hisoblash mumkin edi.[8]

Yuqorida aytib o'tilgan to'rtta tahlildan tashqari - sentyabr oyining asosiy tahlili, noyabr oyining asosiy tahlili, muqobil tahlili va takroriy tahlili - OPERA guruhi ham ma'lumotlarni neytrin energiyasi bilan taqsimladi va har bir sentyabr va noyabr oylari tahlillari to'plami bo'yicha natijalarni xabar qildi. Takroriy tahlilda to'plamni ajratishni o'ylash uchun juda oz miqdordagi neytrinlar mavjud edi.

Fizika hamjamiyati tomonidan qabul qilish

Neytrinoning aniq superluminal tezligi to'g'risida dastlabki hisobotdan so'ng, ushbu sohadagi aksariyat fiziklar natijalarga jimgina shubha bilan qarashdi, ammo kutish va ko'rish usulini qo'llashga tayyor edilar. Eksperimental mutaxassislar o'lchovning murakkabligi va qiyinligi to'g'risida xabardor edilar, shuning uchun OPERA guruhining g'amxo'rligiga qaramay, qo'shimcha tan olinmagan o'lchov xatosi hali ham haqiqiy imkoniyat edi.[iqtibos kerak ] Biroq, keng qiziqish tufayli bir nechta taniqli ekspertlar jamoatchilik tomonidan sharhlar berishdi. Nobel mukofotlari Stiven Vaynberg,[38] Jorj Smoot III va Karlo Rubbiya,[39] va eksperimentga aloqador bo'lmagan boshqa fiziklar, shu jumladan Michio Kaku,[40] natijalar eksperimentning to'g'riligiga shubha bilan qarashini bildirdi, natijada natijalar uzoq vaqtdan beri mavjud bo'lgan nazariyani boshqa ko'plab natijalarga mos keladi. maxsus nisbiylik testlari.[41] Shunga qaramay, OPERA vakili Ereditato eksperiment natijalarini bekor qilgan tushuntirish hech kimda yo'qligini aytdi.[42]

Neytrin tezligining avvalgi tajribalari fizika hamjamiyati tomonidan OPERA natijasini qabul qilishda muhim rol o'ynagan. Ushbu tajribalar neytrin tezligining yorug'lik tezligidan statistik jihatdan muhim og'ishlarini aniqlamadi. Masalan; misol uchun, Astronom Royal Martin Ris va nazariy fiziklar Lourens Krauss[38] va Stiven Xoking[43] ning neytrinosi SN 1987A supernova portlashi deyarli yorug'lik bilan bir vaqtda sodir bo'ldi, bu nurdan tezroq neytrin tezligini ko'rsatmoqda. Jon Ellis, CERNdagi nazariy fizik, OPERA natijalarini SN 1987A kuzatuvlari bilan taqqoslash qiyin deb hisobladi.[44] Ushbu supernovani kuzatishlar natijasida 10 MeV neytrinoga qarshi tezligi 20 dan past bo'lgan milliardga qismlar (ppb) yorug'lik tezligida. Bu fiziklarning ko'pchiligi OPERA guruhi xato qilganiga shubha qilishining sabablaridan biri edi.[31]

Eksperimentga aloqador fiziklar o'zlarining maqolalarida quyidagilarni ko'rsatib, natijani izohlashdan bosh tortdilar:

Bu erda keltirilgan o'lchovning katta ahamiyatiga va tahlilning barqarorligiga qaramay, natijaning potentsial katta ta'siri kuzatilgan anomaliyani tushuntirishi mumkin bo'lgan hali ham noma'lum bo'lgan muntazam ta'sirlarni tekshirish uchun tadqiqotlarimizni davom ettirishga turtki beradi. Biz ataylab natijalarni nazariy yoki fenomenologik talqin qilishga urinmaymiz.[15]

Nazariy fiziklar Gian Giudice, Sergey Sibiryakov va Alessandro Strumiya superluminal neytrinoning kvant-mexanik ta'sir natijasida elektronlar va muonlar tezligidagi ba'zi bir anomaliyalarni nazarda tutishini ko'rsatdilar.[45] Bunday anomaliyalar allaqachon kosmik nurlar haqidagi ma'lumotlardan chiqarib tashlanishi mumkin edi, shuning uchun OPERA natijalariga zid keladi. Sheldon Glashow superluminal neytrinlar elektronlar va pozitronlar nurlanishini va ular orqali energiyani yo'qotishini bashorat qilgan vakuum Cherenkov effektlari, bu erda yorug'likdan tezroq harakatlanadigan zarracha boshqa sekinroq zarrachalarga doimiy ravishda parchalanadi.[46] Shu bilan birga, OPERA eksperimentida ham, kolocatsiyalangan holda ham ushbu energiya tanqisligi yo'q edi ICARUS tajribasi, OPERA bilan bir xil CNGS nuridan foydalanadi.[1][47] Ushbu nomuvofiqlikni Koen va Glashow "OPERA ma'lumotlarini superluminal talqini uchun muhim muammo" ni taqdim etish.[46]

Anomaliya bo'yicha ko'plab boshqa ilmiy maqolalar nashr etildi arXiv oldindan chop etish yoki peer ko'rib chiqildi jurnallar. Ulardan ba'zilari natijani tanqid qildilar, boshqalari almashtirish yoki kengaytirish bilan nazariy tushuntirishlar topishga harakat qilishdi maxsus nisbiylik va standart model.[48]

OPERA hamkorligi doirasidagi munozaralar

Dastlabki e'londan bir necha oy o'tgach, OPERA hamkorligida keskinliklar paydo bo'ldi.[49][50][18][21] O'ttizdan ortiq guruh jamoasi etakchilari o'rtasida ishonchsizlik to'g'risidagi ovoz berish muvaffaqiyatsiz tugadi, ammo vakili Ereditato va fizika koordinatori Autiero baribir 2012 yil 30 martda o'zlarining etakchilik lavozimlarini tark etishdi.[5][51][52] Iste'foga chiqish to'g'risidagi arizasida Ereditato ularning natijalari "haddan tashqari shov-shuvga aylangan va har doim ham asoslanmaydigan soddalashtirish bilan tasvirlangan" deb da'vo qildi va hamkorlikni himoya qilib, "OPERA Hamkorlik har doim ilmiy qat'iylikka to'la mos ravishda ish tutdi: natijalarni e'lon qilganda ham, ular uchun tushuntirish berganida. "[53]

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ a b Reyx (2011b).
  2. ^ Ko'p manbalarda yorug'likdan tezroq (FTL) maxsus nisbiylikni (SR) buzuvchi deb ta'riflanadi: (Reyx (2011 yil); Cho (2011a); Choi (2011) ). Ammo boshqa ishonchli manbalar bu fikrga qo'shilmaydi; FTL uchun SRni buzishi shart emas, qarang "Tachyon" (2011).
  3. ^ Strassler, M. (2012) "OPERA: Xato nima bo'lgan" profmattstrassler.com
  4. ^ Cartlidge (2012a); Cartlidge (2012b)
  5. ^ a b v d Eugenie Samuel Reich (2012 yil 2-aprel), "Amalga oshirilgan neytrin loyihasi rahbarlari iste'foga chiqdilar", Tabiat yangiliklari, doi:10.1038 / tabiat.2012.10371, olingan 2 aprel, 2012
  6. ^ Reyx (2012 yil).
  7. ^ a b ICARUS (2012b).
  8. ^ a b v d e f g h "OPERA eksperimenti CERN-dan Gran Sasso-ga neytrinoning parvoz vaqtidagi anomaliya haqida xabar beradi" (2011)
  9. ^ a b OPERA (2012).
  10. ^ Cartlidge (2011b).
  11. ^ a b Reyx (2011a).
  12. ^ Brunetti (2011).
  13. ^ OPERA (2011a).
  14. ^ Seyf (2000).
  15. ^ a b OPERA (2011a), p. 29.
  16. ^ Jordans & Borenstein (2011a).
  17. ^ a b OPERA (2011b).
  18. ^ a b Cartlidge (2011c).
  19. ^ Jha (2011).
  20. ^ "CERN-dan Gran Sasso-ga yangi proton to'kildi" (2011); OPERA (2011b)
  21. ^ a b Cartlidge (2012c).
  22. ^ Lindinger & Hagner (2012).
  23. ^ "Ilm amalda" (2012)
  24. ^ LVD va OPERA (2012).
  25. ^ Jordans (2012).
  26. ^ Hooker (2011).
  27. ^ Piz (2011).
  28. ^ "MINOS neytrin tezligining yangi o'lchovi to'g'risida xabar beradi". Fermilab bugun. 2012 yil 8 iyun. Olingan 8 iyun, 2012.
  29. ^ Nosengo (2011)
  30. ^ Kartlidj (2011a).
  31. ^ a b Cho (2011b).
  32. ^ CERN-neytrinodan-Gran-Sasso nurlari keltirilgan "OPERA-dan yuqori oqim: tafsilotlarga katta e'tibor" (2011); tavsifning qolgan qismi maqolaga juda mos keladi Cho (2011b), va, ma'lum darajada, tomonidan Cartlidge (2011b).
  33. ^ a b v d "OPERA-dan yuqori oqim: tafsilotlarga katta e'tibor" (2011)
  34. ^ Kolosimo va boshq. (2011).
  35. ^ "Eynshteynni taqillatish: Septentrio CERN tajribasida" (2011).
  36. ^ Feldmann (2011); Komatsu (2011)
  37. ^ OPERA (2011), 14, 16-21 betlar.
  38. ^ a b Matson (2011).
  39. ^ Padala (2011).
  40. ^ Jordans & Borenstein (2011b).
  41. ^ Reyx (2011 yil); Cho (2011b); Xayrlashuv (2011); Gari (2011)
  42. ^ Palmer (2011).
  43. ^ "Insoniyat kelajagiga xokking" (2012).
  44. ^ Brumfiel (2011).
  45. ^ Giudice, Sibiryakov va Strumia (2011)
  46. ^ a b Cohen & Glashow (2011)
  47. ^ ICARUS (2012a).
  48. ^ INFN-dagi resurslar ro'yxati SuperLuminal Neutrino, dan arxivlangan asl nusxasi 2012 yil 2 sentyabrda
  49. ^ Grossman (2011a).
  50. ^ Grossman (2011b).
  51. ^ Cartlidge (2012d).
  52. ^ Grossman (2012b).
  53. ^ Antonio Ereditato (2012 yil 30 mart). "OPERA: Ereditatoning nuqtai nazari". Le Scienze.

Adabiyotlar

Tashqi havolalar