Anomalia de neutrino mais rápido que a luz - Faster-than-light neutrino anomaly

Fig. 1 Mais rápido do que os neutrinos leves. O que o OPERA viu. Mais à esquerda está o feixe de prótons do acelerador CERN SPS. Ele passa pelo transformador de corrente de feixe (BCT), atinge o alvo, criando primeiro píons e então, em algum lugar do túnel de decaimento, neutrinos. As linhas vermelhas são o feixe CERN Neutrinos para Gran Sasso (CNGS) para o laboratório LNGS onde está o detector OPERA. O feixe de prótons é cronometrado no BCT. A forma de onda da esquerda é a distribuição medida dos prótons e a da direita dos neutrinos do OPERA detectados. A mudança é o tempo de viagem do neutrino. A distância percorrida é de aproximadamente 731 km. No topo estão os satélites GPS fornecendo um relógio comum para ambos os sites, tornando possível a comparação do tempo. Apenas o receptor GPS PolaRx fica acima do solo, e os cabos de fibra levam o tempo para o subsolo.
Fig. 1 O que o OPERA viu. Mais à esquerda está o feixe de prótons do acelerador CERN SPS . Ele passa pelo transformador de corrente de feixe (BCT), atinge o alvo, criando primeiro, píons e então, em algum lugar do túnel de decaimento, neutrinos . As linhas vermelhas são o feixe CERN Neutrinos para Gran Sasso (CNGS) para o laboratório LNGS onde está o detector OPERA. O feixe de prótons é cronometrado no BCT. A forma de onda à esquerda é a distribuição medida dos prótons e a direita dos neutrinos do OPERA detectados. A mudança é o tempo de viagem do neutrino. A distância percorrida é de aproximadamente 731 km. No topo estão os satélites GPS fornecendo um relógio comum para ambos os sites, tornando possível a comparação do tempo. Apenas o receptor GPS PolaRx fica acima do solo, e os cabos de fibra levam o tempo para o subsolo.

Em 2011, o experimento OPERA erroneamente observou neutrinos parecendo viajar mais rápido que a luz . Mesmo antes de a fonte do erro ser descoberta, o resultado foi considerado anômalo porque velocidades maiores do que a da luz no vácuo geralmente violam a relatividade especial, uma pedra angular da compreensão moderna da física por mais de um século.

Os cientistas do OPERA anunciaram os resultados do experimento em setembro de 2011 com a intenção declarada de promover mais pesquisas e debates. Mais tarde, a equipe relatou duas falhas na configuração do equipamento que causaram erros muito além do intervalo de confiança original : um cabo de fibra óptica conectado incorretamente, o que causou as medições aparentemente mais rápidas do que a luz, e um oscilador de relógio batendo rápido demais. Os erros foram confirmados pela primeira vez pelo OPERA após um relatório do ScienceInsider ; a contabilização dessas duas fontes de erro eliminou os resultados mais rápidos do que a luz.

Em março de 2012, o experimento ICARUS co-localizado relatou velocidades de neutrino consistentes com a velocidade da luz no mesmo feixe de pulso curto que o OPERA havia medido em novembro de 2011. O ICARUS usou um sistema de temporização parcialmente diferente do OPERA e mediu sete neutrinos diferentes. Além disso, os experimentos do Gran Sasso com BOREXINO , ICARUS, LVD e OPERA mediram a velocidade dos neutrinos com um feixe de pulso curto em maio e obtiveram concordância com a velocidade da luz.

Em 8 de junho de 2012, o diretor de pesquisa do CERN, Sergio Bertolucci, declarou em nome das quatro equipes do Gran Sasso, incluindo o OPERA, que a velocidade dos neutrinos é consistente com a da luz. O comunicado de imprensa, feito a partir da 25ª Conferência Internacional de Neutrino Física e Astrofísica em Kyoto, afirma que os resultados originais do OPERA estavam errados, devido a falhas de equipamento.

Em 12 de julho de 2012, o OPERA atualizou seu artigo, incluindo as novas fontes de erros em seus cálculos. Eles encontraram concordância da velocidade do neutrino com a velocidade da luz.

Velocidades de neutrino "consistentes" com a velocidade da luz são esperadas, dada a precisão limitada dos experimentos até o momento. Os neutrinos têm massa pequena, mas diferente de zero , e a relatividade especial prediz que eles devem se propagar a velocidades menores do que a da luz. No entanto, os processos de produção de neutrinos conhecidos transmitem energias muito mais altas do que a escala de massa dos neutrinos e, portanto, quase todos os neutrinos são ultrarelativísticos , propagando-se a velocidades muito próximas à da luz.

Detecção

O experimento criado uma forma de neutrinos, neutrinos do múon , no CERN mais velho de SPS acelerador, na fronteira franco-suíça, e detectou-los no laboratório LNGS em Gran Sasso, na Itália. Os pesquisadores do OPERA usaram o GPS de visão comum , derivado do GPS padrão, para medir os tempos e as coordenadas locais em que os neutrinos foram criados e detectados. Conforme calculado, o tempo médio de vôo dos neutrinos acabou sendo menor do que o necessário para a luz viajar a mesma distância no vácuo. Em um período de duas semanas até 6 de novembro , a equipe do OPERA repetiu a medição com uma forma diferente de gerar neutrinos, o que ajudou a medir o tempo de viagem de cada neutrino detectado separadamente. Isso eliminou alguns erros possíveis relacionados à correspondência dos neutrinos detectados com seu tempo de criação. A colaboração do OPERA declarou em seu comunicado de imprensa inicial que um escrutínio adicional e testes independentes eram necessários para confirmar ou refutar definitivamente os resultados.

Primeiros resultados

Em uma análise de seus dados em março de 2011 , os cientistas da colaboração do OPERA relataram evidências de que os neutrinos produzidos no CERN em Genebra e registrados no detector do OPERA em Gran Sasso, Itália, viajaram mais rápido que a luz. Calculou-se que os neutrinos chegaram aproximadamente 60,7 nanossegundos (60,7 bilionésimos de segundo) mais cedo do que a luz chegaria se percorresse a mesma distância no vácuo. Após seis meses de verificação cruzada, em 23 de setembro de 2011 , os pesquisadores anunciaram que os neutrinos foram observados viajando a uma velocidade maior do que a da luz. Resultados semelhantes foram obtidos usando neutrinos de alta energia (28 GeV), que foram observados para verificar se a velocidade dos neutrinos dependia de sua energia. As partículas foram medidas chegando ao detector mais rápido do que a luz em aproximadamente uma parte por 40.000, com uma chance de 0,2 em um milhão de o resultado ser um falso positivo, assumindo que o erro foi inteiramente devido a efeitos aleatórios ( significado de seis sigma ) Essa medida incluiu estimativas para erros de medição e erros do procedimento estatístico usado. Era, no entanto, uma medida de precisão, não exatidão , que poderia ser influenciada por elementos como cálculos incorretos ou leituras incorretas de instrumentos. Para experimentos de física de partículas envolvendo dados de colisão, o padrão para um anúncio de descoberta é um limite de erro de cinco sigma, menor do que o limite de seis sigma observado.

A pré-impressão da pesquisa afirmava "[o] desvio da velocidade do neutrino de c [velocidade da luz no vácuo] seria um resultado notável apontando para uma nova física no setor de neutrinos" e referia-se ao "tempo de chegada antecipada do múon CNGS neutrinos "como uma" anomalia ". O porta-voz do OPERA, Antonio Ereditato, explicou que a equipe do OPERA "não encontrou nenhum efeito instrumental que pudesse explicar o resultado da medição". James Gillies, porta-voz do CERN, disse em 22 de setembro que os cientistas estavam "convidando a comunidade mais ampla da física a olhar para o que eles [tinham] feito e realmente escrutinar em grande detalhe, e idealmente para alguém em outro lugar do mundo repetir o Medidas".

Replicação interna

Fig. 2 Análise da replicação interna. Distribuição dos valores de chegada antecipada para cada neutrino detectado com repetição do feixe agrupado. O valor médio é indicado pela linha vermelha e a faixa azul.
Fig. 2 Análise da replicação interna em novembro. Distribuição dos valores de chegada antecipada para cada neutrino detectado com repetição do feixe agrupado. O valor médio é indicado pela linha vermelha e a faixa azul.

Em novembro, o OPERA publicou resultados refinados nos quais eles notaram suas chances de estarem errados como ainda menores, estreitando assim seus limites de erro. Os neutrinos chegaram aproximadamente 57,8 ns mais cedo do que se tivessem viajado à velocidade da luz, dando uma diferença de velocidade relativa de aproximadamente uma parte por 42.000 em relação à luz. O novo nível de significância passou a 6,2 sigma. A colaboração submeteu seus resultados para publicação revisada por pares no Journal of High Energy Physics .

No mesmo artigo, a colaboração OPERA também publicou os resultados de um experimento repetido executado de 21 de outubro de 2011 a 7 de novembro de 2011 . Eles detectaram vinte neutrinos, indicando consistentemente uma chegada precoce de neutrinos de aproximadamente 62,1 ns, de acordo com o resultado da análise principal.

Erros de medição

Em fevereiro de 2012, a colaboração do OPERA anunciou duas possíveis fontes de erro que poderiam ter influenciado significativamente os resultados.

  • Um link de um receptor GPS para o relógio mestre do OPERA foi perdido, o que aumentou o atraso através da fibra. O efeito da falha foi diminuir o tempo de vôo relatado dos neutrinos em 73 ns, fazendo-os parecer mais rápidos que a luz.
  • Um relógio em uma placa eletrônica bateu mais rápido do que sua frequência esperada de 10 MHz, prolongando o tempo de vôo relatado dos neutrinos, reduzindo um pouco o efeito que parecia mais rápido do que a luz. O OPERA declarou que o componente estava operando fora de suas especificações.

Em março de 2012, foi realizado um seminário LNGS , confirmando que o cabo de fibra não foi totalmente parafusado durante a coleta de dados. Os pesquisadores do LVD compararam os dados de tempo para múons cósmicos de alta energia que atingiram o OPERA e o detector LVD próximo entre 2007 e 2008, 2008-2011 e 2011-2012. A mudança obtida para o período de 2008-2011 está de acordo com a anomalia do OPERA. Os pesquisadores também encontraram fotos mostrando que o cabo havia sido solto em 13 de outubro de 2011.

Corrigindo as duas fontes de erro recentemente encontradas, os resultados da velocidade do neutrino parecem ser consistentes com a velocidade da luz.

Resultados finais

Em 12 de julho de 2012, a colaboração do OPERA publicou os resultados finais de suas medições entre 2009 e 2011. A diferença entre o tempo de chegada medido e esperado dos neutrinos (em comparação com a velocidade da luz) foi de aproximadamente 6,5 ± 15 ns . Isso é consistente sem nenhuma diferença, portanto, a velocidade dos neutrinos é consistente com a velocidade da luz dentro da margem de erro. Além disso, a reanálise da repetição do feixe agrupado de 2011 deu um resultado semelhante.

Replicação independente

Artigo principal: Medições da velocidade do neutrino

Em março de 2012, o experimento ICARUS co-localizado refutou os resultados do OPERA medindo a velocidade do neutrino como sendo a da luz. O ICARUS mediu a velocidade de sete neutrinos no mesmo feixe de pulso curto que o OPERA verificou em novembro de 2011 e descobriu que eles, em média, viajavam à velocidade da luz. Os resultados foram de um ensaio de medições da velocidade dos neutrinos programado para maio.

Em maio de 2012, uma nova repetição do feixe agrupado foi iniciada pelo CERN. Então, em junho de 2012, foi anunciado pelo CERN que os quatro experimentos OPERA, ICARUS, LVD e BOREXINO do Gran Sasso mediam velocidades de neutrinos consistentes com a velocidade da luz, indicando que o resultado inicial do OPERA foi devido a erros de equipamento.

Além disso, o Fermilab afirmou que os detectores do projeto MINOS estavam sendo atualizados. Os cientistas do Fermilab analisaram de perto e estabeleceram limites para os erros em seu sistema de cronometragem. Em 8 de junho de 2012, a MINOS anunciou que, de acordo com resultados preliminares, a velocidade do neutrino é consistente com a velocidade da luz.

A medida

O experimento OPERA foi projetado para capturar como os neutrinos alternam entre diferentes identidades, mas Autiero percebeu que o equipamento também poderia ser usado para medir com precisão a velocidade dos neutrinos. Um resultado anterior do experimento MINOS no Fermilab demonstrou que a medição era tecnicamente viável. O princípio do experimento de velocidade do neutrino do OPERA era comparar o tempo de viagem dos neutrinos com o tempo de viagem da luz. Os neutrinos do experimento emergiram no CERN e voaram para o detector OPERA. Os pesquisadores dividiram essa distância pela velocidade da luz no vácuo para prever qual deveria ser o tempo de viagem do neutrino. Eles compararam esse valor esperado com o tempo de viagem medido.

Visão geral

A equipe do OPERA usou um feixe de neutrinos já existente viajando continuamente do CERN para o LNGS, o feixe de Neutrinos do CERN para Gran Sasso, para a medição. Medir a velocidade significava medir a distância percorrida pelos neutrinos de sua fonte até o local onde foram detectados, e o tempo que levaram para percorrer esse comprimento. A fonte no CERN estava a mais de 730 quilômetros (450 milhas) de distância do detector no LNGS (Gran Sasso). O experimento foi complicado porque não havia maneira de cronometrar um neutrino individual, necessitando de etapas mais complexas. Como mostrado na Fig. 1 , o CERN gera neutrinos batendo prótons, em pulsos de 10,5  microssegundos (10,5 milionésimos de segundo), em um alvo de grafite para produzir partículas intermediárias, que decaem em neutrinos. Os pesquisadores do OPERA mediram os prótons quando eles passaram por uma seção chamada transdutor de corrente de feixe (BCT) e tomaram a posição do transdutor como o ponto de partida dos neutrinos. Os prótons na verdade não criaram neutrinos por outro quilômetro, mas como os prótons e as partículas intermediárias se moviam quase à velocidade da luz , o erro da suposição foi aceitavelmente baixo.

Os relógios do CERN e do LNGS precisavam estar sincronizados e, para isso, os pesquisadores usaram receptores GPS de alta qualidade, apoiados por relógios atômicos, nos dois locais. Este sistema registrou a data e hora tanto do pulso de próton quanto dos neutrinos detectados com uma precisão reivindicada de 2,3 nanossegundos. Mas o carimbo de data / hora não pode ser lido como um relógio. No CERN, o sinal de GPS chegava apenas a um receptor em uma sala de controle central e tinha que ser encaminhado com cabos e componentes eletrônicos para o computador na sala de controle de feixe de neutrinos que registrava a medição do pulso de próton ( Fig. 3 ). O atraso desse equipamento foi de 10.085 nanossegundos e esse valor teve que ser adicionado ao registro de data e hora. Os dados do transdutor chegaram ao computador com um atraso de 580 nanossegundos e esse valor teve que ser subtraído do registro de data e hora. Para acertar todas as correções, os físicos tiveram que medir os comprimentos exatos dos cabos e as latências dos dispositivos eletrônicos. Do lado do detector, os neutrinos eram detectados pela carga que induziam, não pela luz que geravam, e isso envolvia cabos e componentes eletrônicos como parte da cadeia de tempo. A Fig. 4 mostra as correções aplicadas no lado do detector OPERA.

Como os neutrinos não podiam ser rastreados com precisão até os prótons específicos que os produziam, um método de média teve que ser usado. Os pesquisadores adicionaram os pulsos de prótons medidos para obter uma distribuição média no tempo dos prótons individuais em um pulso. O momento em que os neutrinos foram detectados no Gran Sasso foi planejado para produzir outra distribuição. Esperava-se que as duas distribuições tivessem formas semelhantes, mas estivessem separadas por 2,4  milissegundos , o tempo que leva para percorrer a distância na velocidade da luz. Os experimentadores usaram um algoritmo de máxima verossimilhança para pesquisar a mudança de tempo que melhor fazia as duas distribuições coincidirem. O deslocamento assim calculado, o tempo de chegada do neutrino medido estatisticamente, foi aproximadamente 60 nanossegundos mais curto do que os 2,4 milissegundos que os neutrinos teriam levado se viajassem apenas à velocidade da luz. Em um experimento posterior, a largura de pulso do próton foi encurtada para 3 nanossegundos, e isso ajudou os cientistas a reduzir o tempo de geração de cada neutrino detectado a essa faixa.

Distância de medição

A distância foi medida fixando com precisão os pontos de origem e detector em um sistema de coordenadas global ( ETRF2000 ). Os topógrafos do CERN usaram GPS para medir a localização da fonte. No lado do detector, a equipe do OPERA trabalhou com um grupo de geodésia da Universidade Sapienza de Roma para localizar o centro do detector com GPS e técnicas de mapeamento padrão. Para vincular a localização do GPS de superfície às coordenadas do detector subterrâneo, o tráfego teve que ser parcialmente interrompido na estrada de acesso ao laboratório. Combinando as duas medidas de localização, os pesquisadores calcularam a distância, com uma precisão de 20 cm dentro do caminho de 730 km.

Medindo o tempo de viagem

Fig. 3 Sistema de medição de tempo CERN SPS / CNGS. Os prótons circulam no SPS até serem chutados por um sinal para o transformador de corrente de feixe (BCT) e para o alvo. O BCT é a origem da medição. Tanto o sinal kicker quanto o fluxo de prótons no BCT chegam ao digitalizador de forma de onda (WFD), o primeiro por meio do Control Timing Receiver (CTRI). O WFD registra a distribuição de prótons. O relógio CNGS / LNGS comum vem do GPS por meio do receptor PolaRx e do CTRI central, onde o CERN UTC e o General Machine Timing (GMT) também chegam. A diferença entre as duas referências é registrada. O marcador x ± y indica um atraso de 'x' nanossegundos com um limite de erro 'y' ns.
Fig. 3 Sistema de medição de tempo CERN SPS / CNGS. Os prótons circulam no SPS até serem chutados por um sinal para o transformador de corrente de feixe (BCT) e para o alvo. O BCT é a origem da medição. Tanto o sinal kicker quanto o fluxo de prótons no BCT chegam ao digitalizador de forma de onda (WFD), o primeiro por meio do Control Timing Receiver (CTRI). O WFD registra a distribuição de prótons. O relógio CNGS / LNGS comum vem do GPS por meio do receptor PolaRx e do CTRI central, onde o CERN UTC e o General Machine Timing (GMT) também chegam. A diferença entre as duas referências é registrada. O marcador x ± y indica um atraso de 'x' nanossegundos com um limite de erro 'y' ns.
Fig. 4 Sistema de medição de tempo OPERA no LNGS: vários atrasos da cadeia de temporização e os desvios padrão do erro. A metade superior da imagem é o sistema de relógio GPS comum (PolaRx2e é o receptor GPS) e a metade inferior é o detector subterrâneo. Cabos de fibra trazem o relógio GPS por baixo. O detector subterrâneo consiste em blocos que vão da faixa tt ao FPGA. Os erros para cada componente são mostrados como x ± y, onde x é o atraso causado pelo componente na transmissão da informação de tempo ey é o limite esperado nesse atraso.
Fig. 4 Sistema de medição de tempo OPERA no LNGS: vários atrasos da cadeia de temporização e os desvios padrão do erro. A metade superior da imagem é o sistema de relógio GPS comum (PolaRx2e é o receptor GPS) e a metade inferior é o detector subterrâneo. Cabos de fibra trazem o relógio GPS por baixo. O detector subterrâneo consiste nos blocos da faixa tt ao FPGA. Os erros para cada componente são mostrados como x ± y, onde x é o atraso causado pelo componente na transmissão da informação de tempo ey é o limite esperado nesse atraso.
Sistemas de cronometragem nas duas extremidades do experimento OPERA

O tempo de viagem dos neutrinos teve que ser medido rastreando a hora em que foram criados e detectados, e usando um relógio comum para garantir que os tempos estivessem em sincronia. Como mostra a Fig. 1 , o sistema de medição do tempo incluiu a fonte de neutrino no CERN, o detector no LNGS (Gran Sasso) e um elemento satélite comum a ambos. O relógio comum era o sinal de tempo de vários satélites GPS visíveis tanto do CERN quanto do LNGS. Os engenheiros do departamento de feixes do CERN trabalharam com a equipe do OPERA para fornecer uma medição do tempo de viagem entre a fonte no CERN e um ponto antes da eletrônica do detector OPERA, usando receptores GPS precisos. Isso incluiu cronometrar as interações dos feixes de prótons no CERN e cronometrar a criação de partículas intermediárias eventualmente decaindo em neutrinos (ver Fig. 3 ).

Os pesquisadores do OPERA mediram os atrasos e calibrações restantes não incluídos no cálculo do CERN: aqueles mostrados na Fig. 4 . Os neutrinos foram detectados em um laboratório subterrâneo, mas o relógio comum dos satélites GPS era visível apenas acima do nível do solo. O valor do relógio anotado acima do solo teve que ser transmitido ao detector subterrâneo com um cabo de fibra de 8 km. Os atrasos associados a esta transferência de tempo tiveram que ser contabilizados no cálculo. O quanto o erro poderia variar (o desvio padrão dos erros) importava para a análise e tinha que ser calculado para cada parte da cadeia de tempo separadamente. Técnicas especiais foram usadas para medir o comprimento da fibra e seu conseqüente atraso, exigido como parte do cálculo geral.

Além disso, para aumentar a resolução do GPS padrão de 100 nanossegundos para o intervalo de 1 nanossegundo alcançado pelos laboratórios de metrologia , os pesquisadores do OPERA usaram o receptor de cronometragem GPS PolaRx2eTR preciso da Septentrio , junto com verificações de consistência entre relógios (procedimentos de calibração de tempo) que permitiam a transferência de tempo de visão comum . O PolaRx2eTR permitiu a medição da diferença de tempo entre um relógio atômico e cada um dos relógios de satélite do Sistema Global de Navegação por Satélite . Para calibração, o equipamento foi encaminhado ao Instituto Suíço de Metrologia (METAS). Além disso, relógios de césio altamente estáveis ​​foram instalados no LNGS e no CERN para verificar a sincronização do GPS e aumentar sua precisão. Depois que o OPERA encontrou o resultado superluminal , a calibração do tempo foi verificada novamente por um engenheiro do CERN e pelo Instituto Alemão de Metrologia (PTB). O tempo de vôo foi eventualmente medido com uma precisão de 10 nanossegundos. O limite de erro final foi obtido combinando a variância do erro para as peças individuais.

A análise

A equipe do OPERA analisou os resultados de diferentes maneiras e usando diferentes métodos experimentais. Após a análise principal inicial divulgada em setembro, três análises adicionais foram publicadas em novembro. Na principal análise de novembro, todos os dados existentes foram reanalisados ​​para permitir ajustes para outros fatores, como o efeito Sagnac em que a rotação da Terra afeta a distância percorrida pelos neutrinos. Em seguida, uma análise alternativa adotou um modelo diferente para a correspondência dos neutrinos ao seu tempo de criação. A terceira análise de novembro se concentrou em uma configuração experimental diferente ('a repetição') que mudou a forma como os neutrinos foram criados.

Na configuração inicial, cada neutrino detectado teria sido produzido em algum momento em um intervalo de 10.500 nanossegundos (10,5 microssegundos), uma vez que esta foi a duração do derramamento do feixe de prótons que gerou os neutrinos. Não foi possível isolar o tempo de produção de neutrino mais dentro do derramamento. Portanto, em suas principais análises estatísticas, o grupo OPERA gerou um modelo das formas de onda de prótons no CERN, juntou as várias formas de onda e representou graficamente a chance de neutrinos serem emitidos em vários momentos (a função de densidade de probabilidade global dos tempos de emissão de neutrinos) . Eles então compararam este gráfico com um gráfico dos tempos de chegada dos 15.223 neutrinos detectados. Essa comparação indicou que os neutrinos chegaram ao detector 57,8 nanossegundos mais rápido do que se estivessem viajando na velocidade da luz no vácuo. Uma análise alternativa em que cada neutrino detectado foi verificado contra a forma de onda de seu derramamento de prótons associado (em vez de contra a função de densidade de probabilidade global) levou a um resultado compatível de aproximadamente 54,5 nanossegundos.

A principal análise de novembro, que mostrou um tempo de chegada antecipada de 57,8 nanossegundos, foi conduzida às cegas para evitar o viés do observador , por meio do qual aqueles que executam a análise podem inadvertidamente ajustar o resultado em direção aos valores esperados. Para tanto, inicialmente foram adotados valores antigos e incompletos para distâncias e atrasos do ano de 2006. Com a correção final necessária ainda não conhecida, o resultado intermediário esperado também era desconhecido. A análise dos dados de medição sob essas condições 'cegas' deu uma chegada precoce de neutrino de 1043,4 nanossegundos. Posteriormente, os dados foram analisados ​​novamente levando-se em consideração as fontes completas e reais dos erros. Se o neutrino e a velocidade da luz fossem iguais, um valor de subtração de 1043,4 nanossegundos deveria ter sido obtido para a correção. No entanto, o valor de subtração real foi de apenas 985,6 nanossegundos, correspondendo a um tempo de chegada de 57,8 nanossegundos antes do esperado.

Duas facetas do resultado foram submetidas a um exame minucioso dentro da comunidade de neutrinos: o sistema de sincronização GPS e o perfil do vazamento do feixe de prótons que gerou neutrinos. A segunda preocupação foi abordada na repetição de novembro: para esta análise, os cientistas do OPERA repetiram a medição na mesma linha de base usando um novo feixe de prótons do CERN que contornou a necessidade de fazer suposições sobre os detalhes da produção de neutrino durante a ativação do feixe, como distribuição de energia ou taxa de produção. Este feixe forneceu pulsos de prótons de 3 nanossegundos, cada um com intervalos de até 524 nanossegundos. Isso significava que um neutrino detectado poderia ser rastreado exclusivamente até seu pulso de geração de 3 nanossegundos e, portanto, seus tempos de início e fim de viagem puderam ser anotados diretamente. Assim, a velocidade do neutrino agora poderia ser calculada sem ter que recorrer a inferência estatística.

Além das quatro análises mencionadas anteriormente - análise principal de setembro, análise principal de novembro, análise alternativa e análise de nova execução - a equipe do OPERA também dividiu os dados por energia de neutrino e relatou os resultados para cada conjunto das análises principais de setembro e novembro. A análise de nova execução teve poucos neutrinos para considerar a divisão do conjunto ainda mais.

Recepção pela comunidade de física

Após o relatório inicial das velocidades superluminais aparentes dos neutrinos, a maioria dos físicos no campo estava silenciosamente céticos quanto aos resultados, mas preparados para adotar uma abordagem de esperar para ver. Os especialistas experimentais estavam cientes da complexidade e dificuldade da medição, portanto, um erro de medição extra não reconhecido ainda era uma possibilidade real, apesar dos cuidados da equipe do OPERA. No entanto, devido ao amplo interesse, vários especialistas conhecidos fizeram comentários públicos. Os ganhadores do Prêmio Nobel Steven Weinberg , George Smoot III e Carlo Rubbia , e outros físicos não afiliados ao experimento, incluindo Michio Kaku , expressaram ceticismo sobre a precisão do experimento com base no fato de que os resultados desafiaram uma teoria de longa data consistente com os resultados de muitos outros testes da relatividade especial . No entanto, Ereditato, porta-voz do OPERA, afirmou que ninguém tinha uma explicação que invalidasse os resultados do experimento.

Experimentos anteriores de velocidade de neutrino desempenharam um papel importante na recepção do resultado do OPERA pela comunidade de física. Esses experimentos não detectaram desvios estatisticamente significativos das velocidades dos neutrinos em relação à velocidade da luz. Por exemplo, o astrônomo Royal Martin Rees e os físicos teóricos Lawrence Krauss e Stephen Hawking afirmaram que os neutrinos da explosão da supernova SN 1987A chegaram quase ao mesmo tempo que a luz, indicando nenhuma velocidade do neutrino mais rápida do que a luz. John Ellis , físico teórico do CERN, acreditava ser difícil conciliar os resultados do OPERA com as observações do SN 1987A. As observações desta supernova restringiram a velocidade anti-neutrino de 10 MeV a menos de 20 partes por bilhão (ppb) acima da velocidade da luz. Essa foi uma das razões pelas quais a maioria dos físicos suspeitou que a equipe do OPERA cometeu um erro.

Os físicos afiliados ao experimento se abstiveram de interpretar o resultado, afirmando em seu artigo:

Apesar da grande significância da medição aqui relatada e da estabilidade da análise, o impacto potencialmente grande do resultado motiva a continuação de nossos estudos a fim de investigar possíveis efeitos sistemáticos ainda desconhecidos que poderiam explicar a anomalia observada. Deliberadamente, não tentamos qualquer interpretação teórica ou fenomenológica dos resultados.

Os físicos teóricos Gian Giudice , Sergey Sibiryakov e Alessandro Strumia mostraram que os neutrinos superluminais implicariam em algumas anomalias nas velocidades dos elétrons e múons, como resultado de efeitos da mecânica quântica. Tais anomalias já poderiam ser excluídas dos dados existentes em raios cósmicos, contradizendo assim os resultados do OPERA. Andrew Cohen e Sheldon Glashow previram que os neutrinos superluminais irradiariam elétrons e pósitrons e perderiam energia por meio dos efeitos Cherenkov do vácuo , onde uma partícula viajando mais rápido do que a luz decai continuamente em outras partículas mais lentas. No entanto, esse atrito de energia estava ausente tanto no experimento OPERA quanto no experimento ICARUS co-localizado , que usa o mesmo feixe CNGS do OPERA. Essa discrepância foi vista por Cohen e Glashow como sendo "um desafio significativo para a interpretação superluminal dos dados do OPERA".

Muitos outros artigos científicos sobre a anomalia foram publicados como preprints do arXiv ou em periódicos revisados ​​por pares . Alguns deles criticaram o resultado, enquanto outros tentaram encontrar explicações teóricas, substituindo ou estendendo a relatividade especial e o modelo padrão .

Discussões dentro da colaboração OPERA

Nos meses após o anúncio inicial, surgiram tensões na colaboração OPERA. Um voto de desconfiança entre os mais de trinta líderes de equipe do grupo falhou, mas o porta-voz Ereditato e o coordenador de física Autiero renunciaram às suas posições de liderança em 30 de março de 2012. Em uma carta de demissão, Ereditato afirmou que seus resultados foram "excessivamente sensacionalistas e retratados com nem sempre justificou a simplificação ”e defendeu a colaboração, afirmando:“ A Colaboração OPERA sempre agiu em plena observância do rigor científico: tanto quando anunciou os resultados como quando deu uma explicação para os mesmos ”.

Veja também

Notas

Referências

links externos