Ve čtvrtek 22. září večer obletěla svět zpráva, že v italské laboratoři Gran Sasso vědci naměřili částicím zvaným neutrina rychlost vyšší než rychlost světla. „Kdyby to tak bylo, rozvrátilo by to celou fyziku. Vzbudilo by to tolik otázek, že si ani nedokážu představit, že by to mohla být pravda,“ reagoval na výsledky experimentu profesor Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.
To samozřejmě neznamená, že prezentovaný výsledek měření není možný. „Všichni, včetně samotné experimentální skupiny, která pozorování provedla, a vedení Evropské laboratoře fyziky částic CERN, kde neutrina vznikají, se však shodují, že je potřeba hledat všechna možná jiná vysvětlení,“ říká profesor Chýla, který pro ČESKOU POZICI podrobně rozebírá experiment OPERA a zamýšlí se nad dalším osudem výsledků jeho měření.
Bez neutrin se nedá žít
Mohou neutrina předhonit světlo? Až do minulého čtvrtka by každý fyzik odpověděl bez váhání a jednoznačně: ne. Moderní fyzika se jednou nohou opírá o Einsteinovu teorii relativity (a druhou o kvantovou teorii), v níž se světlo ve vakuu šíří za všech okolností konstantní rychlostí zhruba 300 tisíc kilometrů za vteřinu a žádný objekt se nemůže ve vakuu pohybovat rychleji: světlo prostě nelze předběhnout.
Elektronová neutrina se podílejí i na tom, že Slunce svítíJe dobré si uvědomit, že toto konstatovaní platí jen pro vakuum. V prostředí, jako je třeba voda či vzduch, se světlo šíří pomaleji než ve vakuu a není problém ho předběhnout. Jenže v italské laboratoři Gran Sasso vědci pozorovali jev, jenž ukazuje, že neutrina dokážou světlo předběhnout i ve vakuu.
Experiment, o němž je řeč, se nazývá OPERA, a jeho cílem je měřit jev zvaný oscilace neutrin. Neutrina patří k základním částicím dnešní teorie mikrosvěta. Jsou elektricky neutrální a s ostatními částicemi, jako jsou elektrony, miony, protony a neutrony, interagují jen velmi, velmi slabě. Existují ve třech variantách (elektronové, mionové a tauonové neutrino), které se nazývají vůně. Přestože na ostatní částice působí tak slabě, elektronové neutrino je pro náš každodenní život nepostradatelné, neboť hraje důležitou roli v procesech, při nichž se ve Slunci a jiných hvězdách uvolňuje energie. Podílí se tedy na tom, že Slunce svítí. Elektronové neutrino hraje důležitou roli i v procesech radioaktivních rozpadů a štěpných reakcí.
Chameleon v Opeře
Do nedávna jsme si mysleli, že neutrina jsou – podobně jako fotony – nehmotná a ve vakuu se proto vždy pohybují rychlostí světla. Experimenty posledního desetiletí však ukazují, že neutrina mají malinkou (ve srovnání třeba s elektrony), ale přesto nenulovou hmotnost, a měla by se proto podobně jako elektrony pohybovat rychlostmi od nuly až po rychlost světla. Tu by ale neměla za žádných okolností překročit. Oscilace neutrin je pozoruhodný jev kvantové povahy, který je důsledkem právě skutečnosti, že neutrina mají nenulovou hmotnost.
Například kladně nabitý pion, který vzniká při srážkách protonů s protony na urychlovači SPS v CERN, se po krátké době (typicky po průletu stovek metrů) během letu do 730 kilometrů vzdálené italské laboratoře v Gran Sassu rozpadá na kladně nabitý mion a mionové neutrino.
Kladně nabitý mion je odkloněn a dále do Gran Sassa pokračují jen mionová neutrina. Ta se podle dnešní teorie mohou během letu přeměnit na elektronové nebo tauonové neutrino a po čase zase zpět na elektronové neutrino. Podobně oscilují i elektronové a tauonové neutrino. Neutrina se tedy chovají podobně jako chameleon. Je ovšem pravda, že do května roku 2010 žádný experiment přeměnu mionového neutrina na tauonové neutrino nepozoroval.
Detektor OPERA byl navržen právě proto, aby takovou přeměnu prokázal. Do provozu byl uveden v roce 2006, ale nějakou dobu trvalo, než se podařilo vychytat jeho dětské nemoci. Detektor sám totiž není žádný drobeček, a to ani ve srovnání s gigantickými detektory pracujícími na urychlovači LHC v CERN: má tvar ležícího hranolu o rozměrech 20 x 10 x 10 metrů a váží 1300 tun. Ani skupina, která detektor postavila a která ho provozuje, není malá: čítá 170 fyziků z 33 institucí dvanácti zemí.
Jak se pozná, že se mionové neutrino změní během letu z CERN do Gran Sassa na tauonové neutrino? V principu jednoduše. Mionové neutrino se při srážce s jádry olova v detektoru OPERA přemění na záporně nabitý mion, který umíme snadno detekovat. Pokud do detektoru dopadne tauonové neutrino, přemění se na záporně nabitý tauon, který od záporně nabitého mionu bez problému rozeznáme. V květnu roku 2010 nastal pro experiment OPERA toužebně očekávaný okamžik, když byl zaregistrován první takový případ.
Data, o něž se opírají výsledky měření rychlosti neutrin, byla nabrána od počátku roku 2009 do poloviny letošního roku. Kromě již zmíněného jednoho případu tauonového neutrina bylo za tu dobu zaregistrováno celkem zhruba 15 tisíc „normálních“ srážek vyvolaných dopadem neoscilujících mionových neutrin. Z hlediska hlavního cíle experimentu to byly nezajímavé případy, které ovšem byly zužitkovány právě pro měření rychlosti neutrin.
Jak se měří rychlost neutrin?
V principu se rychlost neutrin měří standardním způsobem. Vyšleme neutrino z místa A do místa B, změříme jejich vzdálenost a čas, který neutrino potřebovalo pro svou cestu z A do B, vzdálenost podělíme časem a dostaneme rychlost.
- V popisovaném experimentu byl místem A terč v CERN, kde vznikne mionové neutrino, a místem B místo v detektoru OPERA, kde se neutrino srazilo s jádrem olova. Tato vzdálenost je známa s přesností zhruba 1 metr, což – jak uvidíme – bohatě stačí.
- Složitější je situace s měřením doby letu neutrina. Tu není možné stanovit s dostatečnou přesností pro každé jednotlivé neutrino, neboť ke srážkám protonů s jádry terče v CERN, při nichž neutrina vznikají, nedochází v jeden okamžik, ale během pulzu, který trvá zhruba 10 miliontin sekundy (tedy 10 mikrosekund). To je – jak uvidíme – velká neurčitost.
Tento problém lze obejít tím, že srovnáme časové rozložení srážek protonů v terči během oněch 10 mikrosekund a analogickým rozložením času srážek neutrin v detektoru OPERA. Pokud by se neutrina šířila přesně rychlostí světla, bylo by druhé rozdělení jako celek posunuto oproti prvnímu o čas rovný době, za kterou by světlo proletělo (dobře definovanou) vzdálenost mezi terčem v CERN a detektorem OPERA. Protože neutrina mají nenulovou hmotnost, očekáváme, že poletí do Gran Sassa delší dobu než světlo a rozdělení časů srážek v detektoru OPERA proto bude jako celek posunuto směrem k delší době.
Měření OPERA k překvapení všech ukázalo pravý opak: neutrina dorazila do Gran Sassa v průměru o 60 miliardtin vteřiny (60 nanosekund) dříve, než by stejnou vzdálenost urazilo světlo ve vakuu. Přitom – a to je klíčové – fyzikové z OPERA tvrdí, že přesnost stanovení tohoto časového rozdílu je pouhých 10 miliardtin vteřiny, tedy podstatně méně, než je sám časový rozdíl.
Co mne nezabije, to mne posílí
Rozhodující část diskuze o věrohodnosti výsledků experimentu OPERA se týká otázky, zda je uvedená přesnost stanovení doby letu neutrin z CERN do Gran Sassa opravdu tak velká, nebo zda se při jejím stanovení dopustili fyzikové z OPERA nějaké chyby či něco přehlédli. Na tuto klíčovou otázku mohou odpovědět jen skuteční experti na technické aspekty synchronizace časů v CERN a Gran Sassu, a hlavně na metodu, jak ze zmíněných dvou rozdělení, která jsou sama o sobě široká oněch 10 mikrosekund, spolehlivě stanovit jejich posunutí o pouhých 60 nanosekund.
Této otázky se týkala také velká část diskuze, která proběhla v pátek odpoledne v CERN po semináři o výsledcích OPERA. Na semináři, který přilákal nabitý sál fyziků, sami autoři vyzvali přítomné i celou vědeckou obec, aby se pokusila najít v jejich proceduře nějakou chybu či přehlédnutí. Jinými slovy, aby jim pomohla neočekávaný a pro většinu fyziků nevítaný výsledek „zabít“ ve smyslu hesla „Co mne nezabije, to mne posílí“.
Co na to kosmologie?
Předpokládejme na chvilku, že se výsledek z OPERA „zabít“ nepodaří. Co by to znamenalo? Především to, že by neutrina byla mezi ostatními částicemi mikrosvěta výjimečná, neboť žádná z ostatních známých částic, jako jsou elektrony, pozitrony, protony a antiprotony se rychleji než světlo nepohybuje. Je to přímým důsledkem naší mnohaleté zkušenosti s urychlováním těchto částic (a neutronů jako součásti jader).
Je 7,5 kilometru za vteřinu maximální rozdíl rychlosti mionových neutrin a rychlosti světla, nebo se tato neutrina mohou pohybovat libovolnou rychlostí?Tak například na urychlovači LEP, který byl v provozu v CERN v devadesátých letech minulého století a v jehož tunelu nyní pracuje urychlovač LHC, byla elektronům a pozitronům dodávána stále větší energie, až jejich rychlost dosáhla 99,999999999 procenta rychlosti světla, ale ani při dalším přidávání energie tuto rychlost nikdy nepřekročila. Podobně v případě protonů a antiprotonů.
Přijmeme-li fakt, že neutrina se opravdu mohou pohybovat ve vakuu rychlostí větší než světlo, napadne nás okamžitě další otázka: a o kolik? Těch 60 nanosekund, o něž neutrina předběhla v detektoru OPERA světlo, představuje 18 metrů. To je ovšem za asi 2,5 milisekundy, za něž světlo dorazí z CERN do Gran Sassa. Přepočteno na celou vteřinu to představuje rozdíl 7,5 kilometru. Je to maximální rozdíl rychlosti mionových neutrin a rychlosti světla, nebo se tato neutrina mohou pohybovat libovolnou rychlostí? To první si neumím představit, to druhé ještě méně.
Důsledky skutečnosti, že by se (minimálně mionové) neutrino mohlo pohybovat libovolnou rychlostí, by byly pro naše chápání základních zákonů mikro- i makrosvěta obrovské a těžko odhadnutelné. Jednou z oblastí fyziky, která je na předpokladu, že žádná částice se nemůže pohybovat rychleji než světlo ve vakuu, založena, je kosmologie; konkrétně při popisu vývoje vesmíru v jeho nejranější fázi, kdy měly všechny částice obrovské rychlosti a kde byla přítomna i neutrina.
Co bude následovat?
Je možné, že výsledek experimentu OPERA, respektive jeho interpretace jako důsledek skutečnosti, že mionová neutrina se mohou pohybovat ve vakuu rychleji než světlo, je správný. K tomu, abychom tento revoluční závěr přijali, je však třeba provést řadu prověrek.
I z nedávné minulosti známe řadu případů, že i zdánlivě velmi přesvědčivý výsledek jednoho experimentu nevydržel konfrontaci s jinými pokusyPrvní a nejjednodušší je opakovat stejný experiment s mionovými antineutriny. To může provést ve spolupráci s CERN sama OPERA. Příprava svazku antineutrin znamená jen to, že místo kladně nabitého pionu začneme se záporně nabitým pionem, který se rozpadá na záporně nabitý mion a mionové antineutrino. To v detektoru OPERA vyprodukuje kladně nabitý mion, který lze detekovat podobě jako záporný.
Ještě důležitější bude, aby výsledek OPERA potvrdil, nebo vyvrátil jiný nezávislý experiment či lépe několik takových experimentů. Z minulosti – i nedávné – totiž známe řadu případů, že i zdánlivě velmi přesvědčivý výsledek jednoho experimentu nevydržel konfrontaci s jinými pokusy. V USA a Japonsku je v běhu či se připravuje několik podobných experimentů, které jsou také zaměřeny primárně na měření oscilací neutrin a které mají potenciál provést podobně přesná měřeni jako OPERA. Jednoho z nich, experimentu NOVA v USA, se účastní i skupiny fyziků z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy a Fyzikálního ústavu Akademie věd.
Na výsledky všech těchto experimentů si ovšem budeme muset několik let počkat. Za takové tři roky bychom mohli být moudřejší.
