Σχετικά με τη μέτρηση της ταχύτητας των Νετρίνων

Εισαγωγή egno.gr:

Πολλές φορές στην επιστήμη υπήρξαν περιπτώσεις στις οποίες, παρόλο που υπήρξε εφαρμογή της Επιστημονικής Μεθόδου, οι ερευνητές-επιστήμονες οδηγήθηκαν σε αποτελέσματα τα οποία δημιούργησαν προβληματισμό. Ανεξάρτητα όμως από τον σχετικό προβληματισμό των επιστημόνων, κύριο στοιχείο της Επιστημονικής Μεθόδου είναι η επαναληψημότητα του πειράματος ή των πειραμάτων που προσπαθούν να επιβεβαιώσουν τις Επιστημονικές Υποθέσεις που τίθενται από τους θεωρητικούς φυσικούς κατά τη διερεύνηση ενός φαινομένου. Η επανάληψη από διαφορετικές ερευνητικές ομάδες διασφαλίζει την εγκυρότητα του ευρήματος, ενώ πολλές φορές συμβάλλει στον εντοπισμό λαθών που έχουν συμβεί και στη διόρθωσή τους. Δυο τέτοιες περιπτώσεις, τελευταία, υπήρξαν το πείραμα OPERA με τη μέτρηση της ταχύτητας των νετρίνων και το πείραμα BICEP2 με τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων. Για το δεύτερο μπορεί κάποιος να βρει στοιχεία στο egno.gr. Για το πρώτο ζητήσαμε τη συμβολή του διαπρεπούς Καθηγητή Φυσικής Dr Εμμανουήλ Πάσχου για έγκυρη ενημέρωση.

Εμμανουήλ Α. Πάσχος
Professor of Physics, em., Technische Universität Dortmund, Germany, Αντεπιστέλλον μέλος της Ακαδημίας Αθηνών

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας βασίζεται σε δύο αξιώματα:
1. Αρχή της σχετικότητας: Η μορφή των φυσικών νόμων (δηλ. οι εξισώσεις) πρέπει να έχουν της ίδια μορφή σε όλα τα ανδρειανικά συστήματα συντεταγμένων (δηλ. συστήματα που κινούνται με σταθερή ταχύτητα το ένα προς το άλλο).
2. Σε όλα τα ανδρειανικά συστήματα η ταχύτητα του φωτός έχει την ίδια τιμή, όταν μετράται με ράβδους και ωρολόγια του ίδιου τύπου.

Ο Einstein έφθασε στα αξιώματα ως αποτέλεσμα του πειράματος Michelson–Morley που σχετίζεται με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το κύριο αποτέλεσμα της θεωρίας είναι ότι τα νοήματα του χώρου και χρόνου έχουν διαφορετική σημασία από τον απόλυτο χρόνο και χώρο του Νεύτωνα. Κύριο αποτέλεσμα είναι ο μετασχηματισμός του Lorentz που συνδέει φαινόμενα μεταξύ αδρανειακών συστημάτων συντεταγμένων. Οι μετασχηματισμοί εισάγουν μια μεταβολή του χωροχρόνου και ως τούτου ισχύουν για κάθε κινούμενο σώμα ή στοιχειώδες σωμάτιο. Επομένως, και τα νετρίνα σε ενέργειες υψηλότερες της μάζας πρέπει να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός.

Έγιναν πολλά πειράματα με στοιχειώδη σωμάτια που ελέγχουν την ταχύτητα τους και βρήκαν ότι ικανοποιούν τις προβλέψεις της σχετικότητας. Παρόλα αυτά, οι πειραματικοί φυσικοί επινοούν νέους τρόπους που μετρούν την ταχύτητα των σωματίων. Μία νέα ευκαιρία για την μέτρηση παρουσιάσθηκε με την παραγωγή ισχυρών δεσμών νετρίνων στο CERN της Γενεύης και στο Fermilab κοντά στο Σικάγο.

Τα πειράματα που σχεδιάσθηκαν ήταν να στέλνουν τα νετρίνα από το CERN στο εργαστήριο Gran Sasso που είναι στην Ιταλία κοντά στην Ρώμη. Η απόσταση είναι περίπου 730 χιλιόμετρα. Το πείραμα σχεδιάσθηκε για να μελετήσει την μεταβολή από μ-νετρίνα, που παράγονται στο CERN, σε e-νετρίνα, που παρουσιάζονται στους ανιχνευτές που κατασκευάστηκαν μέσα στο βουνό Gran Sasso.

Οι πειραματικοί συνάδελφοι στο πείραμα OPERA αποφάσισαν να μετρήσουν επιπλέον και την ταχύτητα των νετρίνων. Αυτό που απαιτείται είναι ο προσδιορισμός της απόστασης L και ο χρόνος T που χρειάζονται τα νετρίνα να διανύσουν την απόσταση. Η ταχύτητα V υπολογίζεται όπως συνήθως V=L/T. Η δυσκολία έγκειται στο γεγονός ότι η απόσταση L και ο χρόνος Τ πρέπει να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποίησαν δορυφόρους και μέτρησαν αποστάσεις, όπως κάνουμε με το GPS. Το φως χρειάζεται 0,007 δευτερόλεπτα να διανύσει την απόσταση και το πείραμα μετρούσε το χρόνο με ακρίβεια 20 nanoseconds (20×10^-9 δευτερόλεπτα), την δε απόσταση με ακρίβεια 20 εκατοστών.

Σε τρία χρόνια παρακρατήθηκαν στον ανιχνευτή 16.000 αντιδράσεις από νετρίνα και υπήρχε ο υπαινιγμός ότι τα νετρίνα φθάνουν στο Gran Sasso, 60 nanoseconds νωρίτερα από μία δέσμη φωτός. Αφού έκαναν πολλούς ελέγχους στο πείραμα και τους υπολογισμούς τους αποφάσισαν να ανακοινώσουν το 2012 [1] (υποβολή Σεπτέμβριος 2011), την παρατήρησή τους ότι τα νετρίνα ταξιδεύουν με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός. Αυτό έκανε μεγάλη εντύπωση στον επιστημονικό κόσμο και στο κοινό. Είναι αξιοσημείωτο ότι στην σχετικότητα, σωμάτιο δεν μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα φωτός, διότι πολλές ποσότητες – όπως π.χ. η ενέργειά του – γίνονται άπειρες.

Άποψη του ανιχνευτή OPERA: Τα νετρίνα εισέρχονται από την αριστερή πλευρά.

Μαζί με την εξαιρετική εντύπωση άρχισε και ο σκεπτικισμός ότι ένα τέτοιο αποτέλεσμα πρέπει να ελεγχθεί και να επιβεβαιωθεί με άλλα πειράματα. Ένα δεύτερο πείραμα στο CERN, ο ICARUS, χρησιμοποιεί την ίδια δέσμη αλλά διαφορετικούς ανιχνευτές στο Gran Sasso. Τα αποτελέσματα του, με λιγότερες αντιδράσεις νετρίνων, ήταν συμβατά με μια ταχύτητα ίση με αυτήν του φωτός.

Αυτό παρότρυνε τους συναδέλφους στο πείραμα OPERA να ξαναεξετάσουν τις μετρήσεις και τις αναλύσεις τους. Η διεύθυνση στο εργαστήριο CERΝ έδωσε στην ομάδα ΟPΕRΑ δυο εβδομάδες δέσμης νετρίνων αφιερωμένες στην ομάδα τους για να επαναλάβουν τις μετρήσεις υπό βελτιωμένες συνθήκες στους ανιχνευτές. Η ομάδα ξαναμέτρησε την ταχύτητα των νετρίνων και την δεύτερη φορά δεν παρατήρησαν σημαντική απόκλιση από την ταχύτητα του φωτός. Το αποτέλεσμα ήταν μια πολύ μικρή διόρθωση στο χρόνο Τ που προσδιόρισαν με τον δορυφόρο και αυτό άλλαξε το αποτέλεσμα. Συγκεκριμένα, το νέο αποτέλεσμα περιλαμβάνει την προηγούμενη τιμή της ταχύτητας, αλλά τα νέα όρια επιτρέπουν και τιμές μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός [2]. Συμπέρασμα: τα νέα όρια δεν αναιρούν την πρόβλεψη της σχετικότητας.

Στις επιστήμες όλα τα αποτελέσματα ελέγχονται και επιβεβαιώνονται με νέα ακριβέστερα πειράματα. Όταν όλα συμφωνούν τα αποδεχόμαστε σαν φυσική πραγματικότητα. Όταν δεν συμφωνούν με τις παρατηρήσεις τα απορρίπτουμε και αυτό έγινε με την ταχύτητα των νετρίνων.

Αναφορές:
[1] Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. OPERA Collaboration (Adam, T. et al.) JHEP 1210 (2012) 093 arXiv 1109.4897, (Submitted on 22 Sep 2011 (v1), last revised 12 Jul 2012 (this version, v4))
[2] Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam using the 2012 dedicated data. OPERA Collaboration (Adam, T. et al.) arXiv:1212.1276, (Submitted on 6 Dec 2012 (v1), last revised 17 Dec 2012 (this version, v2))