Pohybujú sa neutrína nadsvetelnou rýchlosťou?

Neutrína sú elektricky neutrálne leptóny , ktoré podľa našich súčasných znalostí interagujú iba prostredníctvom slabej sily a gravitácie . To znamená, že neutrína interagujú s hmotou veľmi slabo a ťažko sa detegujú. Poznáme tri rodiny leptónov. V slabých interakciách sa neutrína vyskytujú v pároch s nabitými leptónmi. Sú označené podľa svojej príslušnosti k leptónu ako (ν_e, ν_μ, ν_τ).

Úvod

Za posledné dve dekády štúdium slnečných a atmosférických (v spŕškach sekundárneho kozmického žiarenia ) neutrín poukázalo na fenomén ich oscilácie. To implikuje fakt, že neutrína majú nenulovú hmotnosť. Priame merania hmotnosti sú obtiažne a podarilo sa to iba u elektrónového neutrína pomocou kinematiky beta rozpadu
trícia , kde bola nepriamo určená jeho hmotnosť menej ako 2 eV. Bolo zistené, že podobne ako kvarky, aj neutrína sa mixujú navzájom, dôsledok toho je, že podliehajú osciláciám. Vôňa (flavor) neutrína je superpozícia vlastných stavov hmotnosti

kde α reprezentuje vlastný stav vône, ktorý participuje v slabých interakciách a index i je vlastný stav hmotnosti. Z toho vyplýva, že musia existivať aspoň 3 vlastné stavy hmotnosti. Matica U sa nazýva PMNS matica podľa jej objaviteľov Pontecorvo, Maki, Nakagawa, Sakata. Táto matica sa dá parametrizovať pomocou 3 uhlov Θ a jednej komplexnej fáze δ zodpovednej za narušenie CP symetrie (očakáva sa, že bude nenulová vďaka slabej interakcii). Dôsledok mixovania sú oscilácie vône, kde neutríno vytvorené so špecifickou leptónovou vôňou bude v nejakej vzdialenosti od zdroja detegované ako neutríno s inou vôňou. Ako neutríno putuje priestorom, fázy troch vlastných stavov hmotnosti sa šíria trochu inými rýchlosťami kvôli rozdielom v svojej hmotnosti. Z oscilácií môžeme odvodiť iba kvadrát rozdielu vlastných stavov hmotnosti. V súčasnosti sú známe veľkosti rozdielu kvadrátov hmotnosti z pozorovaní oscilácií slnečných neutrín (δm₂₁²) a atmosférických (δm₃₂²) neutrín, a to:

|Δm₂₁²|=m₂² − m₁² = (8 ^+0.6_−0.4) ×10⁻⁵ eV²;        |Δm₃₂²| = (2.43±0.13)×10⁻³ eV²).

Z toho je možné usúdiť zloženie ostrých stavov vône. Keďže ale nevieme či je stav ν₂ ťažší než stav ν₃, existujú 2 možné kombinácie. ktoré sú znázornené na nasledujúcom obrázku. Čo sa týka mixážnych uhlov, bolo odmerané θ₁₂ = 33.9^+2.4_−2.2°, θ₁₃ < 10.3° s 95 % CL a θ₂₃ = 45±7°. Spresňovanie meraní v súčasnosti pokračuje.

V súčasnosti sa zväzky miónových neutrín pripravujú z rozpadov počas letu kaónových a piónových zväzkov. Protónový zväzok je vyslaný na terč, kde po dopade vyprodukuje široké spektrum sekundárnych častíc, okrem iného aj pióny a kaóny. Nabité pióny podliehajú vo väčšine prípadov rozpadu π⁺ → μ⁺ + ν_μ, pričom nabité kaóny sa rozpadajú K⁺ → μ⁺ + ν_μ v zhruba 64 % prípadov. Tieto častice majú výnimočnú vlastnosť relatívne dlhej doby života a teda „dlhého“ doletu, a je možné ich dráhy fokusovať pomocou magnetickej optiky. Vyprodukované neutrína vďaka svojej malej hmotnosti letia v smere letu pôvodnej častice. Energetické spektrum neutrín je určené kinematikou rozpadu a magnetickou optikou.

Experimenty

CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso)

CNGS je projekt v laboratóriu CERN, kde sa generujú neutrína, ktoré sú posielané pod zemou do 732 km vzdialeného podzemného laboratória LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) v Taliansku.

Experiment CNGS/OPERA.

Protóny extrahované zo SPS s energiou 400 GeV narážajú do terča, kde sa produkujú sekundárne častice. Kaóny a pióny majú relatívne dlhú dobu života a fokusujú sa systémom magnetickej optiky do rozpadového tunela dlhého kilometer a nasmerovaného na Gran Sasso, kde sa rozpadávajú na mióny a miónové neutrína. Na jeho konci sa nachádza hadrónový absorbátor, ktorý pohltí zvyšné častice a cez neho prejdú iba mióny a neutrína. Na ich detekcii slúžia miónové detektory.

Terčová jednotka je zostavená z 13 grafitových tyčiek o priemere 4÷5 mm ktoré sú dlhé 10 cm s medzerami 9 cm medzi nimi. Systém magnetickej fokusácie pozostáva z fokusátoru a reflektoru, ktoré prostredníctvom prúdových pulzov o intenzite prevyšujúcej 150 kA usmerňujú dráhy nabitých častíc v širokom rozmedzí hybností do úzkeho zväzku. Zväzok prekoná vzdialenosť zhruba 732 km k detektoru OPERA a jeho pološírka je 2.8 km. CNGS vyrobí asi 10¹⁷ neutrín denne, ktoré vyšle na cieľ a z ktorých asi 10¹¹ prejde detektorom OPERA.

Počas každého CNGS cyklu urýchľovacieho supercyklu SPS prebehnú dve extrakcie 400 GeV protónov z prstenca SPS trvajúce asi 10.5 μs a s medzerou medzi nimi 50 ms. Pulz má priemernú intenzitu 2.4×10¹³ protónov. CNGS zväzok je tvorený miónovými neutrínami so strednou energiou 17 GeV, je kontaminovaný asi 2.1 % podielom miónových antineutrín pochádzajúcich z rozpadu miónov v rozpadovej trubici a asi 0.9 % podielom elektrónových neutrín. Jeho vlastnosti boli optimalizované na štúdium oscilácií a jeho energia je dostatočná na produkciu τ leptónov. CNGS bolo uvedené do prevádzky v roku 2006.

Detektor OPERA

Experiment OPERA bol navrhnutý na skúmanie oscilácií ν_μ → ν_τ. Je umiestnený v podzemnom laboratóriu LNGS v Taliansku. Vďaka schopnosti pozorovať elektróny má možnosť pozorovať aj oscilácie ν_μ → ν_e. Kolaborácia má 30 členských inštitúcií z 11 krajín a na experimente pracuje 160 fyzikov. Fyzikálny program sa rozbehol s dokončením detektoru OPERA v júni roku 2008. Detekcia na experimente OPERA prebieha prostredníctvom zachytenia neutrína v objeme detektoru a jeho premeny pôsobením slabej interakcie na detekovateľný elektrón, mión alebo tauón, čo sú opäť ostré stavy vône.

Experiment OPERA sa skladá z 2 identických častí, tzv. supermodulov. Každý má 900 ton vážiaci olovený terč s jadrovými fotoemulziami a miónový spektrometer s dipólovým magnetickým poľom zakrivujúcim dráhy nabitých častíc, čo umožňuje merať hybnosť detekovaných častíc. Detektor OPERA je hybridný, kombinuje zároveň detekciu v reálnom čase rýchlou elektronikou a detekciu pomocou jadrových emulzií. Kombinácia technológií umožňuje presnú identifikáciu v čase (kedy nastala udalosť) a zároveň disponuje možnosťou presného merania hybnosti vyprodukovaných častíc pomocou rekonštrukcie dráh zo sub-mikrónovou presnosťou v magnetickom poli. Základnou stavebnou jednotkou terča je „tehla“, jednu tehlu tvorí 56 striedajúcich sa vrstiev olova s hrúbkou 1 mm a vrstiev jadrovej emulzie.

Target tracker (terč) sú na seba kolmé pásy plastových scintilátorov umiestnených medzi vrstvami olovených tehiel s emulziami detekujúcich polohu zásahu častice. Optický signál je vyčítaný prostredníctvom optických vlákien do fotonásobičov. Poloha zásahu je dôležitá pre určenie súradnice tehly s jadrovou emulziou za účelom automatizovanej výmeny a vyvolania. Z target trackeru sa extrahuje časová informácia o prílete neutrína.

Ďalšou súčasťou je miónový spektrometer. Jeho úlohou je identifikovať mióny, presne merať náboj (pomocou smeru zakrivenia dráhy častice) a hybnosť (podľa veľkosti zakrivenia dráhy v magnetickom poli) detekovaných miónov. Skladá sa z detektorov typu RPC (Resistive Plate Chamber) a driftových komôr konštrukciou veľmi podobných veľkým detektorom ATLAS a CMS na LHC.

Postup merania

Rýchlosť bola určená ako pomer vzdialenosti CERN – OPERA a času letu neutrína. Dáta pre meranie sa zbierali od roku 2009 a počet detekovaných neutrín dosiahol 16 111, čo zodpovedá asi 10²⁰ primárnych protónov v CNGS. Štruktúra časového priebehu zväzku je meraná rýchlym zväzkovým prúdovým transformátorom (BCT), kde prelietavajúci protónový prúd naindukuje signál do vinutia BCT. Presnosť merania času je nesmierne dôležitá na určenie rýchlosti neutrín, obyčajný GPS systém s presnosťou 100 ns nestačí, a preto v roku 2008 boli nainštalované v CERNe a aj v LNGS presné systémy s céziovými hodinami naviazanými na GPS. Prístroje boli kalibrované a otestované tromi nezávislými metrologickými inštitúciami. Rozdiel medzi časovými základňami je 2.3 ± 0.9 ns. Vzdialenosť medzi BCT a detektorom OPERA bola odmeraná a je 731 278.0 ± 0.2 m.

Schéma merania času letu neutrína.

Čas letu neutrína nemôže byť určený z jediného neutrína zachyteného v OPERE, pretože ľubovoľný protón mohol počas doby extrakcie (10.5 μs) vyprodukovať neutríno. Výsledok je možné získať porovnávaním priemeru časových rozdelení intenzity protónov dopadajúcich na terčík a časového rozdelenia doby príletu detekovaného neutrína. Pre každé detekované neutríno sa do databázy ukladá tvar protónového pulzu, ten sa spriemeruje s ostatnými a štatistickou metódou maximálnej vierohodnosti sa spočíta pravdepodobnostná funkcia pre každú extrakciu. Rozdelenie intenzít protónových zväzkov sa porovná s rozdelením času príletu neutrín. Metodika merania je detailne uvedená v [2].

Sčítané časové priebehy (červene) intenzít protónových pulzov pre prvú a druhú extrakciu zo SPS. Čierne sú zobrazené časy príletu neutrín posunuté o dobu letu (slepá analýza bez korekcií). Korelácia je viac než zjavná.

Analýza bola vykonávaná zámerne naslepo a bez presných čísel, aby nebola zaujatá. Výsledok bol δt (blind) = TOFc – TOFν = (1048.5±6.9 (stat)) ns. Od získaného výsledku sa odpočítajú korekcie na upresnenú vzdialenosť, korekcie na presne zmerané odchýlky časomerných prístrojov a oneskorenie signálu elektronikou. Získal sa tak výsledok

δt = TOFc – TOFν = (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns.

Je to štatisticky významný výsledok zodpovedajúci 6.1-násobku štandardnej odchýlky. Dá sa interpretovať ako 18.2±2 m, o ktoré neutrína predbehli svetlo na dráhe CNGS–OPERA. Tento výsledok je približne o rád presnejší ako iné merania, napríklad na experimente MINOS v 2007. Znamená, že platí

(v−c)/c = 2.48±0.28 (stat)±0.28 (syst) ×10⁻⁵ (68 % CL)

Konzistencia medzi δt (blind) a extrakciami v rokoch. Nebola pozorovaná závislosť 
na sezónnych a ani denných efektoch.

Na podmnožině dostupných dát sa študovala tiež možná energetická závislosť δt na energii neutrín. Výrazná závislosť by mohla naznačiť fyzikálne procesy, ktoré sú za ňu zodpovedné. Udalosti sa rozdelili do 2 intervalov so strednými energiami 13.9 GeV a 42.9 GeV.

Naľavo je δt ako funkcia pre neutrína rôznych energií na podmnožine štatistiky (CC). 
Napravo je výsledok pre všetky zaznamenané udalosti. Žiadny významný rozdiel nebol pozorovaný.

Vedci zodpovední za meranie sa dôsledne vyhli interpretácii a výsledky poskytli vedeckej komunite k diskusii. Experiment NuMi/MINOS plánuje vykonať podobné meranie aby overil výsledky merania experimentu OPERA. Výsledky je možné očakávať v priebehu jedného roku.

Zdroje:

1. MINOS Collaboration: P. Adamson, et al: Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam; Jun 2007,  arXiv:0706.0437v3 [hep-ex]
2. OPERA Collaboraton: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam; 22 Sep 2011, arXiv:1109.4897v1 [hep-ex]
3. OPERA, domovská stránka experimentu
4. INFN: Gran Sasso National Laboratory Experiments
5. Michal Marčišovský: Experiment CNGS – Neutrína z CERNu do Talianska; AB 2005/46
6. Petr Kulhánek: Neutrinový experiment OPERA; AB 45/2010