Scientia

Sunt zile fierbinţi în lumea fizicii... Un grup de cercetători susţine că a măsurat neutrini care călătoresc cu viteze mai mari decât cea a luminii. Dacă va fi confirmată, vestea va schimba fizica din temelii. Este posibil să se fi strecurat vreo eroare în analiza datelor?

Vă prezentăm în cele ce urmează câteva detalii tehnice legate de această incredibilă descoperire, privind călătoria neutrinilor cu viteze mai mari decât viteza luminii.

În articolul precedent (Viteza luminii, depăşită de neutrini?) am relatat pe scurt despre incredibila descoperire a neutrinilor miuonici care călătoresc cu viteze mai mari decât cea a luminii. Într-un seminar care a avut loc pe data de 23 septembrie la CERN, Geneva, a fost prezentată această descoperire împreună cu o serie de detalii tehnice.

Viteza neutrinilor care călătoresc de la CERN, Geneva, la laboratorul de la Gran Sasso, pe sub pământ, parcurgând o distanţă de circa 730 km, a fost determinată având la bază măsurarea timpilor de pornire şi de sosire a neutrinilor de la CERN, respectiv la Gran Sasso şi măsurarea precisă a distanţei.

Eventuale erori în determinarea momentului în care neutrinii au fost produşi sau detectaţi sau al distanţei parcurse, ar putea avea grave repercursiuni asupra determinării vitezei neutrinilor. Totul pare destul de simplu; în realitate însă, detaliile tehnice sunt impresionante. Să vedem în continuare, pe scurt, câteva din aceste detalii:


Producerea neutrinilor

Neutrinii sunt produşi cu ajutorul unui fascicol de protoni care au viteze apropiate de cea a luminii de la acceleratorul SPS de la CERN-Geneva. În urma interacţiunilor acestor protoni într-o ţintă fixă sunt produse o serie întreagă de particule secundare, printre care şi neutrinii miuonici. Tehnica de determinare a timpului de producere a neutrinilor este foarte sofisticată, cercetătorii fiind însă încrezători în faptul că au reuşit să ţină cont de toate efectele (cum ar fi structura fasciculului de protoni sau detalii despre electronica folosită).


Detectarea neutrinilor la Gran Sasso

La Gran Sasso neutrinii au fost detectaţi în cadrul proiectului OPERA. Pentru determinarea precisă a timpului de sosire al neutrinilor, cercetătorii au ţinut cont de timpii de răspuns ai electronicii folosite pentru citirea semnalelor lăsate de neutrini în detector. Timpul de procesare a semnalelor este de circa 50 ns (1 ns este a miliarda parte dintr-o secundă)  – care este comparabil de fapt cu timpul cu care neutrinii ar fi ajuns mai repede decât lumina, acesta din urma fiind de circa 60 ns. Eroarea generată de această procedură a fost estimată, cu ajutorul unei proceduri de calibrare cu laser, ca fiind de 2.3 ns.

Drumul fasciculului de neutrini între CERN şi Gran Sasso

Măsurarea distantei parcurse

Distanţa a fost măsurată cu ajutorul GPS-urilor, care, în mod normal, nu au o precizie suficient de bună. Cercetătorii au efectuat însă o serie de controale şi corecţii, care îi fac încrezători în rezultatul obţinut. Ba mai mult, pe durata experimentului (circa 3 ani de zile) au reuşit să măsoare o modificare a distanţei între CERN-Geneva şi Gran Sasso de circa 7 cm, în urma unui cutremur.


Sincronizarea timpilor

Ceasuri atomice pe bază de cesiu au fost poziţionate în ambele laboratoare, cel de la Geneva şi cel de la Gran Sasso. Sincronizarea ceasurilor a fost făcută cu ajutorul semnalelor GPS. Ulterior, un ceas atomic portabil a fost dus de la un laborator la altul pentru verificarea procedurii cu ajutorul semnalelor transmise prin fibre optice.

Ţinând cont de toate posibilele surse de erori, cele 60 de nanosecunde măsurate ca fiind timpul cu care neutrinii ajung de la Geneva la Gran Sasso mai repede decât ar face-o lumina, nu pot fi justificate. Posibila eroare, susţin cercetătorii, este de doar 10 ns (6.9 ns eroare statistică şi 7.4 ns eroare sistematică). Au fost măsuraţi circa 16.000 de neutrini şi profilul acestor evenimente în funcţie de timp reproduce foarte bine profilul fasciculelor de protoni care i-au generat.

Cu toate acestea, există o serie întreagă de posibile surse de erori care, însumate, ar putea schimba concluziile acestui studiu. Articolul publicat de grupul de cercetători, pe care vi-l recomandăm în încheiere,  prezintă o listă de circa 12 posibile surse de erori. Ar putea însă exista şi alte surse de erori, la care autorii încă nu s-au gândit.

Vânătoarea acestor erori a început şi mulţi cercetători încearcă să contribuie la acest efort comun.

Un alt fenomen discutat intens în aceste zile este comparaţia acestui rezultat cu cel obţinut în urma detectării neutrinilor care provin de la supernove. Aparent, rezultatele sunt contradictorii.

Pentru mai multe detalii (în limba engleză):
http://arxiv.org/abs/1109.4897 (articolul care anunţă descoperirea)
http://arstechnica.com/science/news/2011/09/neutrino-results-depend-on-exquisite-measurements-of-time-space.ars