Neutrinii de mare viteză pierd energie; Lumea cuantică; SciLogs - bloguri științifice
Când mi-am scris postarea pe tahioni, am lăsat deoparte un punct important. Experimentul CNGS nu este singurul indiciu al vitezei neutrinilor. Investigația unei supernove din 1987 a oferit o limită superioară pentru viteza neutrinilor, care este clar sub valoarea raportată de colaborarea CERN. Neutrinii dintr-o astfel de supernova au o energie semnificativ mai mică decât cea presupusă mai rapidă decât lumina. Dacă acest lucru ar putea fi confirmat experimental, atunci neutrinii nu ar fi tahioni, deoarece viteza lor crește odată cu creșterea energiei și nu scade ca la tahioni.
Cu toate acestea, din existența neutrinilor, a căror viteză depășește viteza luminii la energii mari, rezultă că aceștia nu ar fi trebuit să ajungă la detectorul din Italia cu toată energia lor. Fizicienii teoretici Andrew Cohen și Sheldon Glashow au subliniat acest lucru într-o publicație din 29 septembrie, iar Matt Strassler a avut amabilitatea de a explica argumentul mai detaliat pe blogul său.
Argumentul poate fi înțeles dacă cineva se întreabă de ce, de exemplu, un muon se descompune într-un electron și o pereche neutrino-antineutrino după un timp, dar electronul este stabil. Electronului îi lipsește energia pentru a se descompune. Este cea mai ușoară de acest gen și, prin urmare, există (pentru tot ce știm) pe termen nelimitat. Neutrinii sunt, de asemenea, stabili, deoarece au o masă foarte mică și pur și simplu nu există particule mai ușoare în care să se descompună. Acest argument este adevărat, dar este doar o parte a adevărului. Puteți face electroni atât de repede încât o pereche de particule elementare mai grele ies din electron într-un detector de particule. Un astfel de proces de formare a perechilor este posibil doar în materie, unde împrăștierea poate avea loc pe particule staționare sau cel puțin mult mai lente.
Prezentare grafică de Matt Strassler a vitezei neutrinilor măsurați în diferite experimente. Măsurătorile sunt disponibile atât pentru energiile neutrino superioare, cât și pentru cele inferioare, care nu indică neutrini mai rapizi decât lumina. Grafică preluată de pe blogul lui Matt Strassler.
În vid, formarea perechilor cu un singur electron rapid nu este posibilă deoarece, în același timp cu conservarea energiei, trebuie necesară conservarea cantității de mișcare și a impulsului. La urma urmei, particulele generate trebuie să poată zbura și astfel să absoarbă atât energia cât și impulsul din particula generatoare. Deoarece impulsul și energia unei particule sunt legate între ele prin formulele date în ultimul meu articol, impulsul pe care particula îl pierde cu o producție de energie dată nu este suficient pentru a genera o nouă pereche de particule.
Este și mai ușor de văzut că un singur electron rapid nu poate produce particule grele dacă se ia principiul relativității ca bază. Teoria relativității spune că tot ce se poate întâmpla într-un cadru de referință în mișcare rapidă se poate întâmpla și în repaus. Se poate crea un sistem de coordonate pentru fiecare electron în mișcare în care se sprijină această particulă. În acest sistem, electronul are energia normală de repaus și, evident, nu se poate descompune spontan în particule mai grele. Deci nici electronul în mișcare nu o poate face.
Argumentul despre relativitate se descompune atunci când particulele pot deveni mai rapide decât lumina și astfel încalcă principiul relativității. Aceste particule au neapărat o dependență diferită de viteză de energie și impuls. La urma urmei, această relație împiedică particulele obișnuite să devină mai rapide decât lumina.
Cohen și Glashow cunosc interacțiunea slabă suficient de bine pentru a putea estima generația de perechi de neutrini mai rapide decât luminii. Au calculat că la viteza măsurată în experimentul OPERA, particulele cu o energie de 140 megaelectronvolt și mai mult sunt capabile să elibereze spontan o pereche de electroni și pozitroni și să piardă trei sferturi din energia lor în acest proces. De asemenea, au calculat cât de repede acest proces slab ar duce la o pierdere de energie. Rezultatul este că aproape toți neutrinii de pe ruta lungă de 730 km între generarea la CERN și măsurarea în masivul Gran Sasso trebuie să fi pierdut o mare parte din energie. Acolo, totuși, au fost încă măsurate energii de neutrino ridicate. Deci, există ceva de pește în acest experiment.
Acum trebuie să renunțăm la măsură, deoarece teoreticienii au calculat că nu pot fi corecți? Desigur că nu. Sarcina fizicii este de a explica fenomenele observate, nu de a filtra ce observații sunt permise și care nu. Cunoscutul fizician Lee Smolin subliniază în comentariile de pe blogul lui Matt Strassler că argumentul lui Cohen și Glashow conține presupunerea că viteza mai mare decât lumina încalcă de fapt principiul relativității. Ne-am putea imagina o teorie mai complicată care permite viteze limită diferite pentru diferite particule fără a încălca acest principiu. O astfel de teorie nu ar fi acoperită de acest argument.
Rezultatul neutrinilor prea rapizi din experimentul OPERA îi încurcă pe teoreticieni și experimentatori. Pentru mine încă se pare că trebuie să existe o greșeală în determinarea experimentală a vitezei. O simplă încălcare a relativității lui Einstein pare a fi exclusă de argumentul prezentat aici. Soluția este fie foarte simplă (eroare de măsurare), fie mult mai complicată, deoarece o teorie care ar putea explica mai rapid decât viteza luminii fără pierderi de energie nu există încă.
Adnotare:
Pot fi găsit și pe Twitter, Google+ sau Facebook.