В 1987 году при вспышке сверхновой детекторы зафиксировали 5 частиц, прилетевших быстрее света: разбор гипотезы о сверхсветовых нейтрино

23 февраля 1987 года в соседней галактике, Большом Магеллановом Облаке, произошло одно из самых ярких астрономических событий современного мира. Массивная звезда голубой сверхгигант исчерпала запасы ядерного топлива, и ее ядро за доли секунды сжалось в сверхплотную нейтронную звезду. Произошел коллапс сверхновой, получившей название SN 1987A.

За несколько часов до того, как вспышку света заметили в телескопы, сквозь Землю прошел гигантский поток нейтрино — крошечных нейтральных частиц, которые крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом. Из сотен миллиардов нейтрино, пронизавших планету, подземные детекторы, расположенные в разных странах, смогли перехватить всего 30 частиц.

Именно эти тридцать частиц стали основой для десятков тысяч научных работ. Однако сегодня, спустя почти сорок лет, физик-теоретик Роберт Эрлих из Университета Джорджа Мейсона предположил, что общепринятое истолкование этих данных содержит фундаментальную ошибку. Если его расчеты верны, то среди обычных нейтрино от вспыхнувшей звезды к Земле прилетели частицы, способные передвигаться быстрее света.

Вспышка в Магеллановом Облаке и две гипотезы

Как именно детекторы регистрируют нейтрино и что именно они увидели в 1987 году?

Нейтрино практически не имеют массы и не обладают электрическим зарядом. Они легко проходят сквозь толщу планет и звезд. Чтобы поймать их, физики строят огромные подземные резервуары, заполненные очищенной водой или специальной жидкой смесью, и обставляют их чувствительными датчиками света. Когда нейтрино изредка сталкивается с атомом внутри такой емкости, возникает слабая вспышка света, которую и фиксируют приборы.

В 1987 году детекторы зарегистрировали тридцать таких вспышек. Все они произошли в течение временного интервала продолжительностью около пятнадцати секунд.

Большинство физиков сделали из этого простой вывод: звезда испускала нейтрино постепенно, пока ее сжавшееся ядро остывало. Этот процесс остывания как раз и должен занимать от 10 до 15 секунд. В рамках такой гипотезы предполагается, что все нейтрино летели к Земле практически с одинаковой скоростью — со скоростью света.

Роберт Эрлих предложил кардинально иное объяснение. Он спросил: что если звезда выбросила все нейтрино практически одновременно — за короткий импульс длительностью меньше одной секунды?

Если выброс был мгновенным, то разница во времени прибытия частиц на Землю объясняется не длительными процессами внутри звезды, а тем, что нейтрино летели с разной скоростью. А скорость движения частицы в космосе напрямую зависит от ее массы и энергии.

Физика движения: как энергия и время раскрывают массу

Согласно законам относительности Эйнштейна, безмассовые частицы (такие как фотоны света) всегда движутся в вакууме со строгой константой — скоростью света. Но если у частицы есть хотя бы небольшая масса, она не может достичь этой предельной скорости.

При этом чем выше энергия массивной частицы, тем ближе ее скорость к скорости света. Напротив, частица с низкой энергией будет двигаться заметно медленнее и отстанет на длинной дистанции.

Расстояние от сверхновой SN 1987A до Земли составляет 168 000 световых лет. На таком огромном пути даже крошечная разница в скорости между высокоэнергетическими и низкоэнергетическими частицами приводит к тому, что они прилетают на Землю с разницей в секунды или даже минуты.

Математическая связь здесь очень строгая. Если вы построите график, где по вертикальной оси отложите величину, обратную квадрату энергии частицы, а по горизонтальной оси — время ее задержки относительно света, то события от мгновенной вспышки должны выстроиться в прямые линии. Каждая такая линия выходит из точки старта, а угол ее наклона точно указывает на массу частицы.

Когда Эрлих пересчитал параметры всех тридцати нейтрино, зарегистрированных в 1987 году, он обнаружил, что они не рассеяны по графику хаотично. Частицы четко сгруппировались вдоль трех разных прямых линий. Это означает, что в потоке присутствовали нейтрино с тремя разными значениями массы.

Три группы частиц и появление тахиона

Первые две линии на графике Эрлиха соответствуют вполне привычным частицам:

1. Первая группа нейтрино имеет очень маленькую массу — около 2 электронвольт.
2. Вторая группа оказалась тяжелее — около 22,4 электронвольт.

Эти частицы летели чуть медленнее света, и именно они сформировали основной массив сигналов, прибывших с задержкой в несколько секунд.

Но самый большой интерес кроется в третьей линии. Она имеет обратный наклон и соответствует частицам, которые прибыли на Землю раньше, чем должен был долететь свет.

В уравнениях физики элементарных частиц угол наклона этой линии означает, что квадрат массы частицы имеет отрицательное значение. В физическом мире отрицательный квадрат массы указывает на гипотетическую частицу — тахион.

Тахионы — это гипотетические объекты, которые по своей природе не могут двигаться медленнее света. Чем меньше энергия тахиона, тем выше его скорость. Если обычная материя при потере энергии замедляется, то тахион при потере энергии, наоборот, разгоняется.

Разгадка пятичасовой аномалии детектора под Монбланом

Гипотеза о существовании тахионной массы у нейтрино неожиданно дает простое объяснение факту, который академическая наука долгое время считала ошибкой измерений.

За 5 часов до того, как детекторы зафиксировали основной поток нейтрино от сверхновой 1987A, еще один детектор, расположенный в тоннеле под горой Монблан, зарегистрировал всплеск из 5 нейтрино.

Официальное научное сообщество отвергло эти данные. Логика простая если со звездой еще ничего не произошло, и основные детекторы молчат, то 5 событий под Монбланом — это просто случайный шум прибора.

Однако в расчетах Эрлиха эти 5 частиц идеально попадают на третью прямую линию с отрицательным квадратом массы. Это были тахионные нейтрино. Появившись в момент начального сжатия ядра звезды, они развили сверхсветовую скорость и за время путешествия длиной в 168 000 лет опередили фотоны света на 5 часов.

Физики-теоретики долгое время возражали против возможности существования таких частиц. Они ссылались на известные расчеты, согласно которым любая сверхсветовая частица должна мгновенно терять свою энергию, излучая в пространство пары электронов и позитронов, и затухать задолго до того, как долетит до Земли.

Эрлих провел точный расчет этого эффекта для нейтрино с Монблана. Оказалось, что процесс потери энергии имеет строгий энергетический порог. Чтобы тахион начал терять энергию на создание других частиц, его собственная энергия должна превышать 13,8 миллиарда электронвольт.

Энергия же нейтрино, пойманых под Монбланом, составляла всего около 8 миллионов электронвольт. Это в тысячи раз ниже критического порога. Частицы просто не имели достаточно энергии, чтобы запускать процесс своего разрушения, и беспрепятственно пересекли космос.

Почему официальная физика не спешит менять теории

Если модель Эрлиха так красиво объясняет архивные данные, почему научный мир не торопится признавать существование сверхсветовых частиц? На это есть три серьезные причины: устройство официальных моделей, результаты современных экспериментов и космологические данные.

1. Проблема параметров и принцип простоты

Стандартная астрофизическая модель считает, что нейтрино практически не имеют массы. Чтобы объяснить, почему сигналы от сверхновой растянулись на 15 секунд, ученым приходится создавать сложные математические модели того, как именно остывает ядро умершей звезды. В таких моделях используется до 9 свободных параметров, которые можно настраивать и подгонять под результаты.

Модель Эрлиха утверждает, что сам выплеск нейтрино из звезды был мгновенным. В ней используется 0 свободных параметров для описания источника — все объясняется простой геометрией и скоростью полета. В науке отдается предпочтение более простым объяснениям, и модель без настраиваемых параметров выглядит убедительнее, но она требует признать существование тахионов, что ломает привычные представления о теории относительности.

2. Данные эксперимента KATRIN

В Германии работает гигантская экспериментальная установка KATRIN. Она измеряет массу нейтрино при распаде радиоактивного изотопа водорода — трития. На сегодняшний день KATRIN утверждает, что масса нейтрино не может превышать 0,45 электронвольта. Это напрямую противоречит массам в 2,0 и 22,4 электронвольта, которые получил Эрлих.

Но Эрлих указывает на скрытую проблему в методике KATRIN. Физики этого эксперимента заранее предполагают, что у нейтрино есть только одно среднее значение массы, и настраивают свои формулы исходя из этого.

Если же в природе существуют три абсолютно разные массы, формула KATRIN дает сбой. Более того, при внимательном анализе свежих графиков KATRIN просматривается аномальный избыток событий именно в той области энергии, которая соответствует расчетам Эрлиха.

3. Космологический тупик

Измерения реликтового излучения Вселенной и распределения галактик говорят физикам о том, что суммарная масса всех типов нейтрино во Вселенной должна быть крайне мала. Если бы нейтрино были такими тяжелыми, как предлагает Эрлих, эволюция ранней Вселенной пошла бы по иному пути.

Однако последние данные астрономических обзоров измерительных систем DESI принесли неожиданный результат. Когда ученые попытались рассчитать массу нейтрино на основе карты распределения материи во Вселенной, математика выдала странный результат: сумма масс нейтрино оказалась отрицательной.

Большинство космологов считают это погрешностью измерений. Но для теории тахионов отрицательная масса — это ожидаемый результат: сверхсветовые частицы создают эффект гравитационного отталкивания вместо привычного притяжения.

Бетельгейзе: как решить спор окончательно

Научный спор о событиях 1987 года невозможно решить простым пересчетом старых графиков. Тридцать частиц — это слишком малая выборка, чтобы одна из сторон признала поражение.

Но физике не нужно гадать. Нужен лишь новый эксперимент, который поставит сама природа.

Сегодня на Земле работают нейтринные детекторы нового поколения. Они неисозмеримо крупнее и чувствительнее приборов 1987 года. Если в нашей Галактике произойдет новый распад сверхновой, они зарегистрируют не 30, а десятки тысяч нейтрино.

Эта новая выборка моментально покажет, кто был прав:

• Если права общепринятая теория: поток нейтрино от новой звезды снова будет растянут на 10-15 секунд. Это время зависит только от внутренних процессов остывания ядра звезды, и расстояние до нее не имеет никакого значения.
• Если прав Роберт Эрлих: время растяжения потока нейтрино будет строго зависеть от расстояния до звезды.

Если сверхновая окажется ближе, чем в 1987 году, нейтрино не успеют сильно разлететься в пути.

Например, если это будет звезда Бетельгейзе, расположенная всего в 600 световых годах от Земли (в 250 раз ближе, чем сверхновая 1987 года), то, согласно гипотезе Эрлиха, привычные нейтрино прилетят плотной группой за доли секунды. А сверхсветовые тахионные нейтрино опередят вспышку света не на 5 часов, а примерно на 2 минуты.

Заключение

История науки показывает, что важные открытия часто вырастают из небольших отклонений в экспериментах, которые большинство исследователей предпочитало игнорировать или считать ошибками приборов.

Гипотеза Роберта Эрлиха выглядит смелой и даже вызывающей: она требует признать существование частиц, обгоняющих свет, и пересмотреть устоявшиеся представления о массе. Однако ее главное достоинство заключается в том, что она опирается на строгие математические формулы и не содержит настраиваемых параметров.

Прямо сейчас нейтрино от тысяч далеких звезд уже несутся сквозь космическое пространство по направлению к Земле. И когда следующая галактическая вспышка озарит детекторы физиков, мы получим окончательный ответ: является ли скорость света нерушимой границей нашей Вселенной или нейтрино давно научились ее перешагивать.

Источник: arXiv