Neutrinová hádanka rychlejší než světlo byla údajně vyřešena pomocí speciální teorie relativity

Nyní uplynuly tři týdny od mimořádné zprávy, že neutrina cestující mezi Francií a Itálií se pohybují rychleji než světlo. Experiment známý jako OPERA zjistil, že částice vyrobené v CERNu poblíž Ženevy dorazily do laboratoře Gran Sasso v Itálii o nějakých 60 nanosekund dříve, než umožňuje rychlost světla.





Výsledek vyvolal vlnu vzrušení ve fyzikální komunitě. Od té doby se na arXivu objevilo více než 80 článků, které se pokoušely tento efekt odhalit nebo vysvětlit. Sluší se však říci, že obecný pocit je, že tým OPERA musel něco přehlédnout.

Dnes Ronald van Elburg na univerzitě v Groningenu v Nizozemsku přesvědčivě argumentuje, že našel chybu.

Nejprve se podíváme na experiment, jehož koncept je jednoduchý: měření vzdálenosti a času.



Vzdálenost je přímá. Umístění produkce neutrin v CERNu lze poměrně snadno změřit pomocí GPS. Polohu Gran Sasso Laboratory je těžší určit, protože leží pod kilometr vysokou horou. Nicméně tým OPERA tvrdí, že překonal vzdálenost 730 km s přesností 20 cm.

Doba letu neutrin se měří hůře. Tým OPERA říká, že dokáže přesně změřit okamžik, kdy jsou neutrina vytvořena, a okamžik, kdy jsou detekována pomocí hodin na každém konci.

Ale choulostivá část je udržovat hodiny na obou koncích přesně synchronizované. Tým to dělá pomocí satelitů GPS, z nichž každý vysílá vysoce přesný časový signál z oběžné dráhy asi 20 000 km nad hlavou. To přináší řadu dalších komplikací, se kterými musí tým počítat, jako je doba cesty signálů GPS k zemi.



Ale van Elburg říká, že existuje jeden efekt, který tým OPERA zřejmě přehlédl: relativistický pohyb hodin GPS.

Je snadné si myslet, že pohyb satelitů je irelevantní. Koneckonců, rádiové vlny nesoucí časový signál se musí pohybovat rychlostí světla bez ohledu na rychlost satelitů.

Ale je tu další jemnost. Přestože rychlost světla nezávisí na vztažné soustavě, doba letu ano. V tomto případě existují dva referenční rámce: experiment na zemi a hodiny na oběžné dráze. Pokud se tyto vzájemně pohybují, je třeba to zohlednit.



Jaký je tedy pohyb satelitů s ohledem na experiment OPERA? Tyto sondy obíhají ze západu na východ v rovině nakloněné 55 stupňů k rovníku. Je příznačné, že je to zhruba v souladu s dráhou letu neutrin. Jejich relativní pohyb se pak snadno spočítá.

Takže z pohledu hodin na palubě satelitu GPS se pozice zdroje neutrin a detektoru mění. Z pohledu hodin se detektor pohybuje směrem ke zdroji a v důsledku toho je vzdálenost, kterou urazí částice pozorované z hodin, kratší, říká van Elburg.

Tím myslí kratší, než je vzdálenost naměřená v referenční soustavě na zemi.



Tým OPERA to přehlíží, protože si myslí, že hodiny jsou na zemi, nikoli na oběžné dráze.

Jak velký je tento efekt? Van Elburg počítá, že by to mělo způsobit, že neutrina dorazí o 32 nanosekund dříve. To se ale musí zdvojnásobit, protože stejná chyba se vyskytuje na každém konci experimentu. Celková korekce je tedy 64 nanosekund, téměř přesně to, co pozoruje tým OPERA.

To je působivé, ale to neznamená, že problém je hotový a zaprášený. Vzájemné hodnocení je nezbytnou součástí vědeckého procesu a tento argument musí obstát pod drobnohledem široké komunity a zejména týmu OPERA.

Pokud obstojí, bude tato epizoda plná ironie. Einsteinovu teorii relativnosti zdaleka neporušuje, měření rychleji než světlo se ukáže být jejím dalším potvrzením.

Ref: arxiv.org/abs/1110.2685 : Doby letu mezi zdrojem a detektorem pozorované ze satelitu GPS.

skrýt