Kuidas mõõdeti valguse kiirust ületavaid neutriinosid?

Valguse kiirus ei pruugigi olla suurim võimalik kiirus Universumis, teatasid eelmisel nädalal Šveitsis ja Itaalias töötavad füüsikud.

Esmapilgul on kõik lihtne: Šveitsist CERNi prootonkiirendist teele saadetud neutriinovoog jõudis Itaaliasse Gran Sasso labori detektorini 60 nanosekundit (60 miljardiksekundit) liiga vara.

Valguse kiirus on 299 792 458 meetrit sekundis, neutriinode kiirus äsjaste mõõtmiste tulemuse keskmisena 299 798 454 meetrit sekundis. Eksperimendid kestsid kolm aastat, neutriinovoog kihutas Šveitsist teisele poole Alpe Itaaliasse Rooma lähistele rohkem kui 15 000 korda.

Euroopa tuumauuringute keskuse CERN ja Itaalia Gran Sasso laborite ühiskonsortsium OPERA konsortsium selgitas füüsikamaailma vapustanud eksperimentide tausta.

Tulemused saadi mõõtes kolme parameetrit: kiirendi ja detektori vahelist kaugust, aega, mil neutriinod Šveitsist teele läksid ja aega, mil nad Itaalia maapõues asuva detektori läbisid.

Neutriinod on elementaarosakesed, mis on sisuliselt neutraalsed, nad ei astu kontakti tavalise ainega ja nende mass on kaduvväike. Tänu kõigele sellele on nende tuvastamine äärmisel keeruline. Inimkeha läbib sekundis miljoneid neutriinosid. Enamik neutriinodest jõuab Maa peale Päikeselt, neid tekib ka radioaktiivse lagunemise käigus.

Šveitsis Genfi lähedal asuvas kiirendis pommitatakse prootoneid, tekitades niimoodi kõikvõimalikke ebastabiilseid osakesi, ka neutriinosid.

CERNi sünkrotoni kiir on suunatud täpselt Itaalias Gran Sassos asuva detektori Opera (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) suunas. See detektor asub 1400 meetri sügavusel maa sees, asukoht peab pakkuma kaitset kosmilise kiirguse müra eest.

Šveitsist Itaaliasse suundus voog müüon-neotriinsid, mis 2,43 millisekundit kestnud teekonna jooksul muutus neutriinovõnkumise tõttu tau-neutriinodeks. Seda nähtust nimetatakse ostsillatsiooniks.

Tau-neutriinosid avastada suutev detektor koosneb 150 000st pliiplokist, mille sees on fotofilm, kokku on plokkide mass 1300 tonni.

Neutriinovoogu tuvastavad reaalajas sähvatusi tuvastav stsintillatsioonidetektor ja spektromeeter, mis ühtlasi leiavad üles, millises plokis on neutriino läbimineku kohta märk. Selles plokis olnud film saadetakse ilmutamisele.

 Ülitäpsed mõõtmised

Kuidas tehti kindlaks Genfi prootonkiirendi ja sügaval maa all asuva detektori omavaheline kaugus? Opera asukoha mõõtmiseks peatati ühes detektori lähedal asuval kiirteel 10-kilomeetrises tunnelis autoliiklus nädalaks ajaks.

Mõlema tunneli otste asukohad tehti GPS-mõõtmiste abil täpseks kindlaks. Seejärel oli olemas tunneli otste ja detektori näol kolmnurk, mille abil maa-aluse seadme täpne asukoht teada saada.

Selle ja Genfis asuva neutriinovoo allika vahelise kauguse mõõtmine andis tulemuseks 730,53461 kilomeetrit, vea piir 20 sentimeetrit.

Nii CERNis kui Gran Sassos kasutati neutriinokiire lahkumis- ja saabumisaja mõõtmiseks tseesiumkelli, mis eksivad ühe sekundi 30 miljoni aasta kohta.

“Niisuguste eksperimentide puhul on olulised pisiasjad – kuidas iga seade töötab eraldi ja kõik need koos,” ütles USA Fermilabi kiirendi teadlane Rob Plunkett ajakirjale New Scientist.

Lisaks kontrollisid mõõtmisvahendeid kaks sõltumatut metroloogiarühma Saksamaalt ja Šveitsist. Kõik klappis.

Eksperimenti kavandades ilmnes veider relatiivsusteooriaga seotud detail: erinevatel kõrgustel liigub aeg erineva kiirusega. Seda nähtust on teadlased varemgi kirjeldanud. (loe lähemalt: Teisel korrusel vananevad inimesed kiiremini)

Plunketti sõnul on kõik ajamõõtmised tehtud äärmiselt täpselt. Siiski on eksperimendis üks küsitavus, millele Plunkett tähelepanu juhib: pole täpselt teada neutriinode CERNi kiirendist lahkumise aeg, sest Genfi kiirendil neutriinodetektor puudub.

Ameeriklaste kiirendi Fermilab MINOS eksperimendi meeskond on juba teatanud soovist äsjast Šveitsi-Itaalia ühiseksperimenti korrata, selleks on vaja täiustada Fermilabi ajamõõdusüsteemi. Ilmselt ei ole tulemusi Ameerikast oodata enne 2014. aastat.

Neutriinofüüsika ajastu koitis 1987. aastal, mil uuriti supernoova 1987A plahvatuses Maale jõudnud kiirgust. Kui neutriinod sellest plahvatusest oleks liikunud valgusest kiiremini, pidanuks neutriinovoog Maale jõudma neli aastat enne nähtavat valgust, sest supernoova asus meist 168 000 valgusaasta kaugusel.

Tegelikult mõõtsid kolm erinevat mõõtmisasutust neutriinovoo saabumise umbes kolm tundi enne seda, kui plahvatuse nähtav valgus Maale jõudis. Seda seletatakse asjaoluga, et neutriinovoog vabanes koheselt, nähtav valgus aga alles siis, kui supernoovaplahvatuse lööklaine tähe pinnani jõudis. Ühtekokku tuvastati mõõtmisasutustes 24 supernoovast pärinevat antineutriinot, mis on pealtnäha väga väike arv, kuid seda peeti taustkiirgusega võrreldes siiski märkimisväärseks tulemuseks.

• Tweet