Открытие на базе научно-исследовательского центра Европейского совета ядерных исследования (CERN) большого адронного коллайдера, сокращенно LHC, представляющего собой пролегающее под Женевой кольцо протяженностью 27 км, в 2008 году наделало немало шуму, поскольку эксперименты с его использованием потенциально могут изменить существующие ныне представления о законах физики.

ATLAS, один из шести экспериментов с применением коллайдера LHC, вызывает наибольший интерес, поскольку его цель — поиск сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса. Так называемая Стандартная модель частиц и взаимодействий (см. таблицу) описывает 12 фундаментальных частиц и четыре вида фундаментальных взаимодействий. Это проверенная теория. Однако действует она, только если предположить, что у частиц нет массы, что, очевидно, не так.

Питер Хиггс был одним из физиков, обнаруживших механизм, который в сочетании со Стандартной моделью, объяснил появление ненулевых масс у частиц. Однако механизм Хиггса предполагает существование бозона Хиггса, единственного бозона (так называются частицы-переносчики), пока не обнаруженного на экспериментальном уровне. Для доказательства существования бозона Хиггса и планируется использовать LHC, при помощи которого произойдет столкновение двух пучков частиц на скорости, близкой к скорости света.

В рамках другого эксперимента швейцарские ученые посылали пучки нейтрино (нейтральных фундаментальных частиц с ничтожно малой массой) итальянским коллегам из Национальной лаборатории Гран-Сассо. Нейтрино преодолели по вакуумному тоннелю под Альпами расстояние около 730 км. 31 мая 2010 года ученые из проекта OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) зафиксировали первый случай “осцилляции нейтрино”, обнаружив единственный тау-нейтрино в пучке, состоящем из миллиардов миллиардов мюонных нейтрино. В сентябре 2011 года в рамках того же проекта был зафиксирован другой результат: пучок нейтрино преодолел 732 км на 60 наносекунд быстрее скорости света.

Наносекунда равняется одной миллиардной секунды. Как же ученым удается измерять такие ничтожно малые промежутки времени с такой точностью?

Джованни Де Леллис, координатор сканирования проекта OPERA, младший профессор Неаполитанского университета имени Фридриха II, любезно согласился в беседе с Europa Star доступно объяснить суть эксперимента, его результаты и их значение.

Первая гипотеза о существовании нейтрино была представлена в 1930 году австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули, однако саму неуловимую частицу удалось обнаружить гораздо позднее, только в 1956 году. Позже было установлено, что нейтрино подразделяется на три различных “аромата”: электрон, мюон и тау. Нейтрино относятся к классу лептонов и входят в Стандартную модель.

В ходе эксперимента OPERA пучок нейтрино посылается из расположенного в Женеве центра CERN в лабораторию Гран-Сассо. Пучок протонов сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней, среди прочего, пионы и каоны, которые распадаются на мюоны с испусканием нейтрино, продолжая двигаться по вакуумному тоннелю. Затем этот пучок частиц сталкивается с железной заглушкой с графитовым ядром. Она поглощает оставшиеся протоны, пионы и каоны, а нейтрино продолжают свой путь длиной 732 км под земной корой. Как только пучок прибывает в Гран-Сассо, детекторы OPERA и ICARUS регистрируют появление нейтрино.

Europa Star: Какое оборудование используется для измерения таких микроскопических отклонений во времени?

Джованни Де Леллис: Атомные часы. В 1967 году 13-я Генеральная конференция мер и весов приняла определение секунды через число периодов излучения атома цезия — “9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133”. 9 192 631 770 периодов в секунду — частота радиации, излучаемой или поглощаемой атомом цезия-133 при переходе между двумя сверхтонкими уровнями. Работа атомных часов основывается на частоте излучения атомов цезия-133. Поэтому они являются самыми точными часами в мире и используются в качестве первичного стандарта для международной синхронизации времени и в глобальных навигационных спутниковых системах, таких как GPS. Благодаря атомным часам национальным бюро стандартизации удается добиться уровня точности 10-9 секунд в день.

ES: Точность хода механического калибра может нарушить даже самая маленькая пылинка, попавшая внутрь. Могут ли какие-то факторы повлиять на данные, полученные в ходе проведения эксперимента OPERA?

ДДЛ: Эксперимент начинается с выброса нейтрино, порожденных протонами. Измерение пучка протонов проводится путем фиксирования времени сигнала преобразователя пучка, измеряющего протоны (порождающие нейтрино) по пути их следования. Точность измерения колеблется в рамках нескольких наносекунд.

Джованни Де Леллис, Путь, которым в недрах Земли следует пучок нейтрино из Женевы в Гран-Сассо (© CERN)

ES: Ученые из лаборатории Гран-Сассо, недавно завершившие основанный на массе эксперимент ICARUS, пришли к выводу, что скорость нейтрино все-таки не превышает скорости света, подтвердив теорию относительности Эйнштейна. Какие еще нужны эксперименты, чтобы окончательно доказать истинность той или иной теории?

ДДЛ: Необходимы повторные измерения с применением других экспериментальных методик. В следующем году OPERA планирует повторить эксперимент, при этом ученые из Италии и США проведут измерения в схожих условиях. Решающим фактором может стать измерение отношения скорости нейтрино к скорости света для устранения существующих систематических погрешностей.

ES: Первоначально цель проекта OPERA заключалась в том, чтобы доказать существование нейтринных осцилляций, что, собственно, и удалось сделать в прошлом году. Какова значимость этого открытия, и как оно повлияет на будущее проекта OPERA?

ДДЛ: Если у нейтрино имеется масса, значит, они могут подвергаться так называемой осцилляции, т.е. нейтрино одного вида (мюонные нейтрино, выпущенные из женевской лаборатории) могут по пути преобразоваться в другой вид нейтрино на расстоянии от своего источника (тау-нейтрино, прибывшие в Гран-Сассо). В прошлом году нам впервые удалось обнаружить один тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино, что наглядно продемонстрировало реальность этого процесса. Наше следующее задание — выявить наличие тау-нейтрино во время последующих экспериментов, чтобы подтвердить результаты, полученные в прошлом году.

ES: Если удастся подтвердить результаты эксперимента OPERA, означает ли это, что скорость нейтрино действительно превышает скорость света, или что они проходят через неизвестное нам измерение? И какое это будет иметь значение для науки в целом и для вашего исследования в частности?

ДДЛ: Из всех субатомных элементарных частиц нейтрино играют самую важную роль вследствие целого ряда причин, в том числе из-за своей крайне малой массы, составляющей менее одной миллионной массы электрона. Нейтрино являются заряженными частицами с наименьшей массой. Возможное подтверждение результатов поставит нейтрино в еще более особое положение.

Удастся ли ученым доказать, что скорость нейтрино все-таки превышает скорость света, или нет, неизвестно, но результаты экспериментов с большим адронным коллайдером в любом случае в корне изменят наше понимание науки, даже если ученым так и не удастся отыскать бозон Хиггса. Свыше двадцати лет назад Тим Бернерс-Ли, ученый из CERN, изобрел “всемирную паутину”. Кто знает, может CERN находится на пути к еще одному эпохальному открытию.

Источник: журнал Europa Star февраль-март 2012