Швидкісні нейтрино втрачають енергію; Квантовий світ; SciLogs - наукові блоги
Коли я писав свою публікацію про тахіони, я залишив один важливий момент. Експеримент CNGS не є єдиним показником швидкості нейтрино. Дослідження наднової у 1987 р. Забезпечило верхню межу швидкості нейтрино, яка є явно нижчою за величину, про яку повідомляє співпраця ЦЕРН. Нейтрино в такій надновій мають значно меншу енергію, ніж, мабуть, швидше, ніж легкі. Якби це можна було підтвердити експериментально, то нейтрино не були б тахіонами, оскільки їх швидкість зростає із збільшенням енергії, а не зменшується, як у тахіонів.
Однак з існування нейтрино, швидкість яких перевищує швидкість світла при високих енергіях, випливає, що вони не повинні були досягти детектора в Італії з повною енергією. Теоретичні фізики Ендрю Коен та Шелдон Глашоу вказували на це у публікації від 29 вересня, і Метт Штрасслер був люб'язним, щоб детальніше пояснити аргумент у своєму блозі.
Аргумент можна зрозуміти, якщо запитати себе, чому, наприклад, мюон через деякий час розпадається на електрон і пару нейтрино-антинейтрино, але електрон стабільний. Електрону не вистачає енергії для розпаду. Це найлегший у своєму роді і тому існує (наскільки нам відомо) необмежений час. Нейтрино також стабільні, оскільки вони мають дуже малу масу і просто немає легших частинок, на які можна розщепитись. Цей аргумент є правдою, але це лише частина правди. Можна зробити електрони настільки швидкими, що пара важчих елементарних частинок виходить з електрона в детекторі частинок. Такий процес утворення пари можливий лише в речовині, де розсіювання може відбуватися на нерухомих або принаймні набагато повільніших частинках.
Оглядова графіка Метта Страсслера про швидкість нейтрино, виміряну в різних експериментах. Доступні вимірювання як для вищих, так і для нижчих енергій нейтрино, які не вказують на нейтрино, швидші за світло. Графіка взята з блогу Метта Штраслера.
У вакуумі утворення пари одним швидким електроном неможливе, оскільки одночасно із збереженням енергії потрібно вимагати збереження кількості руху та імпульсу. Зрештою, генеровані частинки також повинні мати можливість відлітати і, таким чином, поглинати не тільки енергію, але й імпульс від генеруючої частинки. Оскільки імпульс і енергія частинки пов'язані між собою за формулами, наведеними в моїй останній статті, імпульсу, який частинка втрачає із заданою енергією, недостатньо для створення нової пари частинок.
Ще простіше зрозуміти, що один швидкий електрон не може утворювати важких частинок, якщо взяти за основу принцип відносності. Теорія відносності говорить, що все, що може відбуватися в швидко рухається системі відліку, може відбуватися і в стані спокою. Для кожного рухомого електрона можна створити систему координат, в якій знаходиться ця частинка. У цій системі електрон має нормальну енергію спокою і, очевидно, не може спонтанно розпастися на важчі частинки. Отже, рухливий електрон теж не може цього зробити.
Аргумент про відносність розпадається, коли частинки можуть стати швидшими за світло і тим самим порушити принцип відносності. Ці частинки неодмінно мають різну залежність швидкості енергії та імпульсу. Зрештою, саме це відношення заважає звичайним частинкам ставати швидшими за світло.
Коен і Глашоу досить добре знають слабку взаємодію, щоб оцінити генерацію пари швидше, ніж легкі нейтрино. Вони підрахували, що при швидкості, виміряній в експерименті OPERA, частинки з енергією 140 мегаелектронвольт і більше здатні спонтанно відмовитися від пари електрона і позитрона і втратити в цьому процесі три чверті своєї енергії. Вони також підрахували, як швидко цей слабкий процес призведе до втрати енергії. Результат полягає в тому, що майже всі нейтрино на 730-кілометровому шляху між генерацією в ЦЕРНі та вимірами в масиві Гран-Сассо, напевно, втратили значну частину своєї енергії. Однак там високі енергії нейтрино вимірювались не стихаючи. Тож у цьому експерименті є щось рибне.
Чи доводиться нам тепер відкидати вимірювання, оскільки теоретики підрахували, що вони не можуть бути правильними? Звичайно, ні. Завдання фізики - пояснити спостережувані явища, а не відфільтрувати, які спостереження дозволені, а які ні. Відомий фізик Лі Смолін в коментарях до блогу Метта Страсслера зазначає, що аргумент Коена та Глашоу включає припущення, що швидкість швидше світла насправді порушує принцип відносності. Можна собі уявити більш складну теорію, яка допускає різні граничні швидкості для різних частинок, не порушуючи цього принципу. Така теорія не буде охоплена цим аргументом.
Тому результат занадто швидких нейтрино в експерименті OPERA викликає здивування теоретиків та експериментаторів. Для мене все ще здається, що повинна бути помилка при експериментальному визначенні швидкості. Просте порушення відносності Ейнштейна, здається, виключається аргументом, представленим тут. Рішення є або дуже простим (похибка вимірювання), або значно складнішим, оскільки теорії, яка могла б пояснити швидкість світла без втрати енергії, ще не існує.
Анотація:
Мене також можна знайти в Twitter, Google+ або Facebook.