Как один кабель заставил нейтрино «обогнать» свет

Осенью 2011 года в CERN сообщили о результате, который при подтверждении потребовал бы пересмотреть одну из основ современной физики. Детектор OPERA в итальянской лаборатории Гран-Сассо зарегистрировал нейтрино, отправленные из CERN. По расчётам, частицы преодолели около 730 километров примерно на 60 наносекунд быстрее, чем это сделал бы свет.

Разница составляла всего 60 миллиардных долей секунды, но за это время свет проходит около 18 метров. Авторы эксперимента не объявляли об опровержении теории относительности: они представили аномалию для независимой проверки. Несколько месяцев спустя выяснилось, что ошибка скрывалась в системе определения времени, а её самым известным элементом стал неправильно подключённый оптоволоконный кабель.

Эксперимент создавали не для измерения скорости

OPERA была частью проекта CNGS — «Нейтрино CERN — Гран-Сассо». Разогнанные протоны направляли в графитовую мишень, а распад возникших при столкновениях частиц создавал поток мюонных нейтрино. Он уходил в сторону Италии и по прямой проходил сквозь земную кору. Туннель между лабораториями не требовался: нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, и лишь малая их часть оставляла след в детекторе.

Главной задачей OPERA был поиск нейтринных осцилляций — превращений мюонных нейтрино в тау-нейтрино. Измерение скорости стало дополнительной возможностью, которую давали известное расстояние и точная синхронизация.

На этот путь нейтрино должны были тратить около 2,4 миллисекунды. Они имеют крайне малую массу и летят почти со скоростью света, но частица с массой, согласно специальной теории относительности, должна двигаться чуть медленнее. Ожидаемая разница была недоступна OPERA, зато установка могла заметить более крупное отклонение.

Как засекали полёт нейтрино

Для измерения скорости нужны расстояние и время. Геодезисты связали подземные точки с наземной системой координат и определили длину 730-километрового пути с погрешностью около 20 сантиметров.

Со временем всё оказалось сложнее. Нейтрино нельзя было снабдить меткой и проследить от рождения до детектора. CERN выпускал протоны сериями продолжительностью 10,5 микросекунды, поэтому момент появления отдельного нейтрино оставался неизвестным. Исследователи сравнивали временной профиль протонных импульсов с распределением событий в OPERA и по их сдвигу находили наиболее вероятное время полёта.

В анализ вошли 15 223 события, накопленные в 2009-2011 годах. Часы в CERN и Гран-Сассо синхронизировали специализированными GPS-приёмниками и атомными эталонами. Задержки в датчиках, электронных модулях, кабелях и каналах связи учитывали с точностью до наносекунд.

В этом и заключалась уязвимость. Каждый элемент длинной измерительной цепочки вносил задержку, которую следовало правильно определить и вычесть. Ошибка в одном звене могла оказаться больше искомого эффекта.

Результат, которого не должно было быть

После обработки данных получилось, что нейтрино приходили в Гран-Сассо примерно на 60,7 наносекунды раньше расчётного времени. Их скорость якобы превышала скорость света на 20 миллионных долей. Эта разница значительно превосходила заявленную погрешность эксперимента.

Статистическая значимость достигала примерно шести стандартных отклонений: случайное колебание данных почти наверняка не могло создать такой эффект. Но этот показатель имеет смысл лишь при верной модели измерения. От систематической ошибки, одинаково сдвигающей тысячи событий, большая статистика не защищает.

23 сентября 2011 года результат представили на семинаре в CERN. Исследователи подчёркивали, что не нашли объяснения аномалии, но не утверждали, что нейтрино нарушили теорию относительности. Для такого вывода требовались независимые измерения.

Почему свет нельзя просто обогнать

Скорость света в вакууме — не рекорд, который можно превзойти более мощным ускорителем. В специальной теории относительности она служит предельной скоростью передачи вещества и информации. Чем ближе частица с массой подходит к этому пределу, тем больше энергии требуется для разгона; достижение скорости света потребовало бы бесконечной энергии.

Обычную волну можно догнать: скорость звука определяется свойствами среды, поэтому самолёт способен обогнать звуковой импульс. То же показывает опыт с медленной механической волной — наблюдатель может двигаться рядом с её гребнем, а затем оказаться впереди. Со светом такой переход не происходит. Для любого инерциального наблюдателя его измеренная скорость остаётся одинаковой, а при переходе между системами отсчёта меняются измеряемые интервалы времени и расстояния.

Если бы нейтрино действительно двигались быстрее света, потребовалась бы новая теория, пересматривающая связь между пространством, временем и причинностью. В некоторых системах отсчёта сверхсветовой сигнал мог бы выглядеть как прибывший раньше отправки.

Были и независимые причины сомневаться. Нейтрино от сверхновой SN 1987A прошли космическое расстояние со скоростью, чрезвычайно близкой к световой. Расчёты также показывали, что сверхсветовые нейтрино высокой энергии должны быстро терять энергию, чего детекторы не наблюдали. Эти доводы не находили ошибку OPERA, но заставляли прежде всего проверять аппаратуру.

Проверка короткими импульсами

Одним из первых подозрений стал метод сопоставления длинных импульсов. Осенью 2011 года CERN перешёл в специальный режим: протоны выпускали трёхнаносекундными сгустками с большими промежутками. Теперь каждое нейтринное событие можно было связать с конкретным сгустком.

OPERA зарегистрировала 20 подходящих событий, и они снова показали раннее прибытие. Проверка исключила один возможный источник ошибки, но измерение всё ещё опиралось на прежнюю систему часов, кабелей и электронных задержек. Общий сдвиг времени сохранился.

Тогда исследователи заново измерили задержки в системе синхронизации, сравнили показания соседних детекторов и изучили работу оборудования в разные периоды. Оказалось, что проблема была не одна.

Кабель, часы и ошибочные 60 наносекунд

Сигнал точного времени от наземного GPS-приёмника передавался к подземной электронике OPERA по многокилометровой оптоволоконной линии. Один разъём был вставлен не до конца. Сигнал продолжал поступать, поэтому явного обрыва не было, но фактическая задержка оказалась больше значения, заложенного в расчёты.

Отметки детектора сдвинулись так, будто нейтрино были зарегистрированы раньше. После правильного подключения разъёма задержка изменилась на величину, сопоставимую с обнаруженным «опережением». Так появилось объяснение всей истории одним кабелем.

Полная картина была сложнее. Обнаружилась и неполадка генератора, формировавшего временные метки между импульсами GPS. Она влияла на результат в противоположную сторону и могла увеличивать рассчитанное время полёта. Две ошибки частично компенсировали друг друга.

Сбои было трудно заметить: система работала, показания выглядели стабильными, а отдельные калибровки давали ожидаемые значения. Ошибка обнаружилась при проверке всей цепочки в рабочем состоянии.

Повторное измерение

В феврале 2012 года участники OPERA сообщили о двух найденных аппаратных эффектах и отложили вывод до нового запуска. Весной CERN снова отправил короткоимпульсный пучок. Измерения провели четыре эксперимента.

Исследователи получили результат, совместимый со скоростью света. После внесения исправлений данные OPERA тоже перестали показывать значимое превышение. В июне 2012 года CERN объявил, что нейтрино соблюдают установленный теорией относительности предел.

Ошибочный результат возник в чрезвычайно точном измерении, где аппаратные задержки приходилось учитывать на уровне миллиардных долей секунды. Более 15 тысяч событий сделали статистику убедительной, но не могли обнаружить общий сдвиг часов.

Независимая проверка отделила возможное открытие от неисправности. OPERA раскрыла методику, повторила опыт в другом режиме, а результат проверили другие установки. Нейтрино не обогнали свет, а эксперимент показал границу высокой точности: надёжность зависит не только от формул и статистики, но и от каждого элемента измерительной цепи.