Може ли неутриното да е по-бързо от светлината?

Резултатите от редица експерименти сочат, че елементарната частица неутрино може да се движи с по-голяма скорост от светлинната.

В научните кръгове не спират споровете за съществуването на частица, способна да се движи по-бързо от скоростта на светлината. През 2011 година се появи сензационната новина, че за неутриното е фиксирана скорост, превишаваща светлинната.

Такова откритие би опровергало основните постулати на специалната теория на относителността и би преобърнало съвременните представи за устройството на Вселената.

Физиците от цял свят се усъмниха в получения резултат и се заеха да препроверяват експеримента. И действително, причината за „откритието“ се оказа един лошо свързан кабел. Основите на теоретичната физика в този момент устояха, но това не спря изследователите – те продължават да търсят факти, които не се обясняват от съвременните теории.

Сега повечето наблюдавани явления във физиката на елементарните частици успешно се описват от теория, наречена Стандартен модел. Но има редица проблеми, които този модел не е в състояние да реши. Един от тях е свързан с такива елементарни частици като неутриното.

Тези частици се движат със скоростта на светлината и изключително слабо взаимодействат с веществото, затова за регистрирането им се налага да се прибягва до невероятни хитрости. Макар Земята да е пронизвана от милиарди неутрино, за да ги фиксират, специалните чувствителни детектори се потапят дълбоко под повърхността на Земята.

Например в езерото Байкал на дълбочина повече от километър се намира Байкалският неутринен телескоп, фиксиращ неутрино с високи и свръхвисоки енергии. Според Стандартния модел неутриното няма маса, но експерименталните наблюдения говорят за обратното.

В средата на миналия век теоретиците са изказали хипотеза за съществуването на частица, движеща се по-бързо от светлината – тахион. Независимо че съществуването на такива частици не е открито експериментално, някои изследователи смятат, че неутриното подхожда за тази роля.

Робърт Ерлих от университета Джордж Мейсън, изучавайки данните на шест различни експеримента, е направил извод, че предположението за свръхсветлинния характер на неутриното обяснява резултатите от редица наблюдения.

Хипотезата, че неутриното всъщност е тахион, води до едно необичайно следствие: масата на частицата трябва да е мнима величина (мнимото число широко се използва във физиката – ако се повдигне мнимата единица на квадрат, то се получава минус едно). Интересно свойство на частицата с мнима маса е загубата на енергия при ускорение.

Ако се сравни с класическото движение на тела, то се получава парадокс – частицата се държи точно обратното и за да се ускори такава „неутринна топка“, трябва да се отнеме енергия от нея.

За проверка на тази хипотеза ще помогнат резултати, които се планира да бъдат получени в хода на експеримента KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino). Екип от над 150 изследователи от Германия, Великобритания, Русия, Чехия и Съединените щати планира да изучи β-разпада на трития, за да определи най-точно масата на неутриното.

Разпадът на тритиевото ядро води до освобождаване на електрон и антинеутрино. Неутриното не се детектира, а електроните започват своя път към детектора. Електроните се насочват към детектора с помощта на магнитни полета, а отломките от деленето на ядрото се премахват, за да не създават фон на спектрометъра.

Енергията на електроните се анализира с помощта на приложено електростатично поле. Само електроните с определена енергия могат да преминат през спектрометъра. В края на устройството електроните се регистрират на детектора.

Изменяйки потенциала на спектрометъра, може да се получи пълният спектър енергия на излъчените в хода на разпада на тритиевите ядра електрони, а по формата на спектъра – да се оцени масата на неутриното.

В сградата на Технологичния университет на Карлсруе се монтира експериментално оборудване, включително източник на тритий и спектрометър с висока резолюция. Диаметърът на спектрометъра е 10 метра, а общата дължина на инсталацията – 70 метра. Стартът на експеримента е предвиден за 2015 година.