Nevtrini so fiziko že nekajkrat spravili v zadrego

Lanske jeseni je mednarodna skupina raziskovalcev Evropskega središča za jedrska raziskovanja CERN v Ženevi in Državnega laboratorija Gran Sasso LNGS izvedla poskus, ki naj bi pokazal, da nevtrini potujejo hitreje od svetlobe. Ugotovitev je zbudila pozornost, ker bi tak izid nasprotoval Einsteinovi posebni teoriji relativnosti, po kateri delci, energija in sporočila ne morejo potovati hitreje kot svetloba v praznem prostoru. 

Laboratorij LNGS je eden od desetine velikih svetovnih podzemnih laboratorijev. Skoraj poldrugi kilometer debela plast skalovja zadrži večino naelektrenih delcev iz vesolja. Poleg tega tudi okoliščine, ki se le malo spreminjajo, omogočajo občutljiva merjenja. Pomemben del načrta CNGS, nevtrini iz Cerna za Gran Sasso, ki so ga začeli leta 2006, je poskus OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Racking Apparatus), z oscilacijami povezani načrt s sledilno napravo z emulzijo. Pri njem naj bi raziskovali prehajanje nevtrinov ene vrste v nevtrine druge vrste, tako imenovane nevtrinske oscilacije.

Nevtrini so fiziko že nekajkrat spravili v zadrego. Negativni elektroni, ki se pojavijo pri radioaktivnem razpadu, nimajo vsi enake energije. Njihova energija je manjša, kot bi pričakovali po zmanjšanju mase udeleženih atomskih jeder. Wolfgang Pauli je leta 1930 domneval, da pri razpadu poleg elektrona nastane še delec brez električnega naboja in brez mase, ki odnese manjkajočo energijo. Domneva se mu je zdela tvegana, češ da ne bo mogoče zaznati delca, ki je dobil ime po italijanski pomanjševalnici za nevtralni delec.

Pauli se je motil. Leta 1956 so zaznali nevtrino, povezan z elektronom. Leta 1961 je poskus razkril, da obstajata dve različni vrsti nevtrinov. Domnevali so, da obstaja še tretja vrsta, ki so jo pri poskusu zaznali leta 2000. Že dve leti prej so se prepričali, da obstajajo nevtrinske oscilacije. Po njih so sklepali, da imajo nevtrini zelo majhno maso, po kateri se vrste razlikujejo med seboj. Obstajajo tudi antidelci nevtrinov. Nevtrini vseh vrst in njihovi antidelci zelo, zelo šibko sodelujejo z drugimi delci. Zato lahko v snovi preletijo velike razdalje, a jih je po drugi strani težko zaznati.

Eksperiment OPERA in objava članka

Superprotonski sinhrotron SPS v Cernu pospeši gruče protonov, atomskih jeder vodika, do energije 450 GeV. Tolikšno energijo bi protoni dobili, če bi v praznem prostoru preleteli napetost 450 milijard voltov. Gruče protonov vodijo na tarčo v smeri proti Gran Sassu. V njej sprožijo nastanek delcev, ki razpadejo v nevtrine. Ti po 730 kilometrih poti skozi zemeljsko skorjo zadenejo merilnik OPERA. V njem nevtrini povzročijo nastanek naelektrenih delcev, ki v merilniku prožijo drobne bliske. Po njih ugotovijo kraj in čas reakcije.

Hitrost nevtrinov so izračunali tako, da so razdaljo med napravo v Cernu in merilnikom v LNGS delili s časom, ki so ga nevtrini porabili za pot. Pri merjenju razdalje so si pomagali s sistemom umetnih satelitov za določanje lege na Zemlji GPS. Čas so merili z natančnima urama v Cernu in LNGS, ki so ju naravnali po GPS. V letih 2009 in 2010 so zaznali dobrih 15 tisoč nevtrinskih reakcij. Pri tem so ugotovili, da naj bi nevtrini za 58 milijardink sekunde prehiteli svetlobo, ki bi za pot porabila 2,4 tisočinke sekunde. Pri tem relativna razlika hitrosti nevtrinov in svetlobe ne preseže poltretje tisočinke odstotka.

Novembra lani so zadnjo inačico članka Merjenje hitrosti nevtrinov z merilnikom OPERA v curku CNGS, ki ga je podpisalo več kot sto sedemdeset raziskovalcev, poslali Reviji za fiziko visokih energij. Za ugotovitev se je razvedelo že prej. Sledila je poplava pripomb na spletu, od resnih do neslanih ter od pritrjujočih do nasprotujočih. Fiziki so večinoma dvomili o izidu, češ da je posebna teorija relativnosti na območju svoje veljavnosti podprta na zelo širokem območju in osnova za druge uspešne teorije. Omenili so nekatere šibke strani merjenja, na primer to, da niso merili energije nevtrinov, ampak so navedli le njihovo povprečno energijo. Tako ni bilo mogoče primerjati izidov tega merjenja z omejitvami za hitrost nevtrinov, ki so jih postavila druga merjenja, predvsem opazovanje nevtrinov ob izbruhu supernove SN1987A.

Izjava o mogočih pomanjkljivostih poskusa

V raziskovalni skupini so še naprej razmišljali o mogočih pomanjkljivostih poskusa. In pred tednom so objavili naslednjo izjavo: »Skupina OPERA je nadalje preverjala merjenje hitrosti nevtrinov in ugotovila dve zadevi, ki bi lahko znatno vplivali na objavljeni izid. Prva je povezana z napravo, ki zaznamuje čas med naravnavanjem po GPS. Druga je povezana s stikom optičnega vlakna, ki vodi zunanji signal GPS na glavno uro poskusa OPERA. Ti zadevi lahko spremenita izid za čas preleta nevtrinov v nasprotnih smereh (ena ga poveča, druga zmanjša).

Medtem ko nadaljuje prizadevanja, da bi nedvoumno določili velikost vpliva na opazovani izid, skupina pričakuje, da bo ponovila merjenje hitrosti nevtrinov, brž ko bodo v letu 2012 na voljo gruče v curku. Obsežno poročilo o omenjenem preverjanju in rezultatih bo v kratkem na voljo znanstvenim odborom in agencijam.«

Številskih podatkov niso navedli, ker nameravajo prej ugotovitve še skrbneje preveriti. Ni mogoče ugotoviti, kakšen je pravi namen izjave. V skrajnem primeru bi to bil lahko uvod v preklic. Vsekakor se bo poglobil dvom o ugotovitvi, da so nevtrini lahko hitrejši od svetlobe. Počakajmo na razplet.

Skupini OPERA ni mogoče očitati naravoslovne nepoštenosti. Premislili so, kaj bi utegnilo vplivati na izid, in opisali varnostne ukrepe, da ne bi prišlo do napak, in se zavedali omejitev poskusa. Svoje ugotovitve niso postavili kot dokončne, ampak so se zavedali, da zahteva potrditev. K »preverjanju so povabili širšo skupnost fizikov«, ki se ukvarja z visokimi energijami. Morda bi lahko z objavo nekoliko počakali, vendar bi utegnilo biti to tvegano v našem hitrem času, ko povsod primanjkuje sredstev. Nekaj so k vznemirjenju prispevali novinarji, ki veliko raje poročajo o tem, da so ovrgli znano teorijo, kot o tem, da so jo podprli. A tudi oni pišejo le o tem, kar ljudi na splošno zanima. Zameriti gre nekaterim le to, da nevtrinov ne razlikujejo od delcev z maso in nabojem, ki z močno ali elektromagnetno silo delujejo na druge delce. Za te delce doslej ni bilo resnega merjenja, ki bi zbudilo dvom o posebni teoriji relativnosti.

Brez obžalovanja ali veselja

Tudi če se bo pokazalo, da ugotovitev skupine OPERA ne obvelja, raziskovanj in razprav o nevtrinih ne bo konec. V ZDA (v okviru načrta MINOS) in na Japonskem (v okviru načrta T2K) pripravljajo ponovitev poskusa z nevtrini. Pri prvi izvedbi ameriškega merjenja so dobili sumljiv izid, a je bil statistično premalo zanesljiv za ugotovitev, da so nevtrini hitrejši od svetlobe.

Ni razloga, da bi ob izjavi skupine OPERA kaj obžalovali ali se česa veselili. Fiziki sprejmemo kakršenkoli izid poskusa, le dovolj trden mora biti. Pri tem velja, da morajo biti preverjanja tem ostrejša, čim bolj nenavaden je izid.

Prof. dr. Janez Strnad, Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani