Високоскоростните неутрино губят енергия; Квантов свят; SciLogs - научни блогове
Когато написах публикацията си на тахиони, оставих един важен момент настрана. Експериментът CNGS не е единственият показател за скоростта на неутрино. Изследването на свръхнова през 1987 г. предостави горна граница за скоростта на неутрино, която е ясно под стойността, отчетена от сътрудничеството на CERN. Неутрините в такава свръхнова имат значително по-ниска енергия от предполагаемо по-бързите от леките. Ако това би могло да бъде потвърдено експериментално, тогава неутрино не биха били тахиони, защото скоростта им се увеличава с увеличаване на енергията и не намалява, както при тахионите.
От съществуването на неутрино обаче, чиято скорост надвишава скоростта на светлината при високи енергии, следва, че те не е трябвало да достигнат до детектора в Италия с пълната си енергия. Теоретичните физици Андрю Коен и Шелдън Глашоу посочиха това в публикация от 29 септември, а Мат Щраслер беше любезен да обясни аргумента по-подробно в своя блог.
Аргументът може да бъде разбран, ако човек се запита защо например мюонът се разпада в електрон и двойка неутрино-антиневтрино след известно време, но електронът е стабилен. На електрона липсва енергията за разпадане. Той е най-лекият от този вид и следователно съществува (за всички, които знаем) за неопределено време. Неутрините също са стабилни, тъй като имат много малка маса и просто няма по-леки частици, които да се разпаднат. Този аргумент е верен, но е само част от истината. Човек може да направи електроните толкова бързи, че двойка по-тежки елементарни частици излизат от електрона в детектора на частици. Такъв процес на образуване на двойки е възможен само в материята, където разсейването може да се осъществи върху неподвижни или поне много по-бавни частици.
Обзорна графика на Мат Страслър за скоростите на неутрино, измерени при различни експерименти. Налични са измервания както за по-високи, така и за по-ниски енергии на неутрино, които не показват неутрино, които са по-бързи от светлината. Графики, взети от блога на Мат Щраслер.
Във вакуум образуването на двойки от един бърз електрон не е възможно, тъй като едновременно със запазването на енергията трябва да се изисква запазването на количеството движение и импулса. В крайна сметка генерираните частици също трябва да могат да отлетят и по този начин да абсорбират не само енергия, но и инерция от генериращата частица. Тъй като импулсът и енергията на частицата са свързани помежду си чрез формулите, дадени в последната ми статия, инерцията, която частицата губи с дадена енергия, не е достатъчна, за да генерира нова двойка частици.
Още по-лесно е да се види, че един-единствен бърз електрон не може да произвежда тежки частици, ако човек вземе за основа принципа на относителността. Теорията на относителността казва, че всичко, което може да се случи в бързо движеща се референтна система, може да се случи и в покой. Може да се създаде координатна система за всеки движещ се електрон, в който почива тази частица. В тази система електронът има своята нормална енергия на покой и очевидно не може спонтанно да се разпадне на по-тежки частици. Така че движещият се електрон също не може да го направи.
Аргументът за относителността се разпада, когато частиците могат да станат по-бързи от светлината и по този начин да нарушат принципа на относителността. Тези частици задължително имат различна зависимост на скоростта на енергия и инерция. В крайна сметка именно тази връзка пречи на обикновените частици да станат по-бързи от светлината.
Коен и Глашоу познават слабото взаимодействие достатъчно добре, за да могат да оценят генерирането на двойки по-бързо от светлинните неутрино. Те са изчислили, че при скоростта, измерена в експеримента OPERA, частиците с енергия от 140 мегаелектронволта и повече са в състояние спонтанно да освободят двойка електрон и позитрон и да загубят три четвърти от енергията си в процеса. Те също изчислиха колко бързо този слаб процес би довел до загуба на енергия. Резултатът е, че почти всички неутрино по 730-километровия маршрут между генерирането в ЦЕРН и измерванията в масива Гран Сасо трябва да са загубили голяма част от енергията си. Там обаче високите енергии на неутрино бяха измервани неотслабващо. Така че има нещо рибно в този експеримент.
Трябва ли сега да отхвърлим измерването, защото теоретиците са изчислили, че те не могат да бъдат правилни? Разбира се, че не. Задачата на физиката е да обясни наблюдаваните явления, а не да филтрира кои наблюдения са разрешени и кои не. Известният физик Лий Смолин посочва в коментарите в блога на Мат Щраслер, че аргументът на Коен и Глашоу включва предположението, че по-бързата от светлинната скорост всъщност нарушава принципа на относителността. Човек би могъл да си представи по-сложна теория, която позволява различни гранични скорости за различни частици, без да нарушава този принцип. Подобна теория няма да бъде обхваната от този аргумент.
Следователно резултатът от твърде бързите неутрино в експеримента OPERA озадачава теоретиците и експериментаторите. За мен все още изглежда, че трябва да има грешка при експерименталното определяне на скоростта. Едно просто нарушение на относителността на Айнщайн изглежда е изключено от аргумента, представен тук. Решението е или много просто (грешка в измерването), или значително по-сложно, тъй като все още не съществува теория, която би могла да обясни по-бърза от светлинната скорост без загуба на енергия.
Анотация:
Също така мога да бъда намерен в Twitter, Google+ или Facebook.