A nagy sebességű neutrínók energiát veszítenek; Kvantumvilág; SciLogs - tudományos blogok
Amikor a tachyonokra írtam a bejegyzésemet, egy fontos pontot hagytam félre. A CNGS-kísérlet nem az egyetlen jel a neutrínók sebességére. Egy szupernóva vizsgálata 1987-ben megadta a neutrínók sebességének felső határát, amely egyértelműen alatta marad a CERN által közölt értéknek. Az ilyen szupernóva neutrínóinak energiája lényegesen alacsonyabb, mint az állítólag gyorsabb, mint a fény. Ha ezt kísérletileg meg lehet erősíteni, akkor a neutrínók nem lennének tachionok, mert sebességük növekszik az energiával, és nem csökken, mint a tachionoknál.
Azonban a neutrínók létezéséből, amelyek sebessége meghaladja a fénysebességet nagy energiáknál, következik, hogy nem kellett volna teljes energiájukkal elérniük az olasz detektort. Andrew Cohen és Sheldon Glashow elméleti fizikusok erre rámutattak egy szeptember 29-i kiadványban, és Matt Strassler volt kedves elmagyarázni az érvelést a blogján.
Az érvelés megérthető, ha valaki azt kérdezi magától, hogy például egy müon miért bomlik le egy idő után egy elektron és egy neutrino-antineutrino párba, de az elektron stabil. Az elektronnak nincs energia a bomláshoz. Ez a legkönnyebb a maga nemében, ezért korlátlanul létezik (mindannyian tudjuk). A neutrínók azért is stabilak, mert nagyon kicsi a tömegük, és egyszerűen nincsenek könnyebb részecskék, amelyekre lebontanák. Ez az érv igaz, de csak az igazság része. Az elektronokat olyan gyorsan lehet előállítani, hogy egy rész nehezebb elemi részecske kerül ki az elektronból egy részecske-detektorban. A párképződés ilyen folyamata csak olyan anyagban lehetséges, ahol a szétszóródás álló vagy legalább jóval lassabb részecskéken történhet.
Matt Strassler áttekintő grafikája a különböző kísérletekben mért neutrino sebességekről. Mérések rendelkezésre állnak mind a magasabb, mind az alacsonyabb neutrino energiák esetében, amelyek nem jelzik a fénynél gyorsabb neutrínókat. A grafikákat Matt Strassler blogjából vettük át.
Vákuumban egyetlen gyors elektron képzése nem lehetséges, mert az energia megőrzésével egyidejűleg meg kell követelni a mozgás mennyiségének és a lendületnek a megőrzését. Végül is a keletkezett részecskéknek képesnek kell lenniük arra is, hogy elrepülhessenek, és így ne csak energiát, hanem lendületet is magukba szívjanak a generáló részecskéből. Mivel egy részecske lendülete és energiája az utolsó cikkemben megadott képletekkel kapcsolódik egymáshoz, az a momentum, amelyet a részecske elveszít egy adott energia kimenettel, nem elegendő új részecskepár létrehozásához.
Még könnyebb belátni, hogy egyetlen gyors elektron nem képes nehéz részecskéket produkálni, ha a relativitás elvét vesszük alapul. A relativitáselmélet szerint minden, ami gyorsan mozgó referenciakeretben megtörténhet, nyugalmi állapotban is megtörténhet. Koordináta-rendszer létrehozható minden mozgó elektronhoz, amelyben ez a részecske nyugszik. Ebben a rendszerben az elektron normális nyugalmi energiával rendelkezik, és nyilvánvalóan nem tud spontán bomlani nehezebb részecskékké. Tehát a mozgó elektron sem.
A relativitásról szóló érv akkor szakad meg, amikor a részecskék gyorsabbá válhatnak, mint a fény, és ezzel megsértik a relativitás elvét. Ezeknek a részecskéknek szükségképpen eltérő az energia és a lendület sebességfüggése. Végül is ez a kapcsolat akadályozza meg a közönséges részecskék gyorsabbá válását a fénynél.
Cohen és Glashow elég jól ismerik a gyenge kölcsönhatást ahhoz, hogy képesek legyenek megbecsülni a könnyű neutrínóknál gyorsabb párok keletkezését. Kiszámították, hogy az OPERA kísérletben mért sebességnél a 140 megaelektronvolt és annál nagyobb energiájú részecskék képesek spontán felszabadítani egy elektron- és pozitronpárt, és energiájuk háromnegyedét elveszíteni a folyamat során. Kiszámították azt is, hogy ez a gyenge folyamat milyen gyorsan vezetne energiaveszteséghez. Ennek az az eredménye, hogy a CERN-ben keletkező generáció és a Gran Sasso-hegységben végzett mérés közötti 730 km hosszú útvonal szinte minden neutrínójának elveszítette energiájának jelentős részét. Ott azonban magas neutrino energiákat mértek csillapíthatatlanul. Tehát ebben a kísérletben van valami hal.
Most el kell dobnunk a mérést, mert az elméleti szakemberek kiszámították, hogy nem lehetnek helyesek? Természetesen nem. A fizika feladata a megfigyelt jelenségek magyarázata, nem pedig annak kiszűrése, hogy mely megfigyelések engedélyezettek és melyek nem. Az ismert fizikus Lee Smolin Matt Strassler blogjának kommentjeiben rámutat, hogy Cohen és Glashow érvelése magában foglalja azt a feltételezést, hogy a fénynél nagyobb sebesség valójában sérti a relativitás elvét. El lehet képzelni egy bonyolultabb elméletet, amely lehetővé teszi a különböző részecskék számára különböző határsebességeket anélkül, hogy ezt az elvet megsértené. Egy ilyen elméletre nem terjed ki ez az érvelés.
Az OPERA-kísérletben a túl gyors neutrínók eredménye ezért zavarba hozza a teoretikusokat és a kísérletezőket. Számomra még mindig úgy tűnik, hogy hibának kell lennie a sebesség kísérleti meghatározásában. Úgy tűnik, hogy az itt bemutatott érvelés kizárja Einstein relativitásának egyszerű megsértését. A megoldás vagy nagyon egyszerű (mérési hiba), vagy lényegesen bonyolultabb, mert még nem létezik olyan elmélet, amely a fénysebességnél gyorsabban magyarázható lenne energiaveszteség nélkül.
Megjegyzés:
Megtalálható a Twitteren, a Google+-on vagy a Facebook-on is.