60 nanosekund – to pozornie niedużo. Kilkadziesiąt miliardowych części sekundy wydaje się niczym, ale właśnie to „nic” budzi wielkie emocje wśród fizyków na całym świecie. O tyle bowiem, jak wynika z badań przeprowadzonych w detektorze OPERA w ośrodku Laboratori Nazionali del Gran Sasso, można wyprzedzić światło, jeśli się jest neutrinem – bardzo lekką, trudną do zarejestrowania cząstką elementarną. A tymczasem, jak wynika ze szczególnej teorii względności Einsteina – fundamentu, na którym opiera się kawał współczesnej fizyki – nic nie może przekroczyć tej granicy.
Czy uda się to właśnie neutrinu – jednej z najdziwniejszych cząstek elementarnych? Dziwnej na tyle, że trzeba było ją wymyślić.
Kosmiczne duchy
Istnienie neutrina zostało teoretycznie przewidziane w 1930 roku przez Wolfganga Pauliego, który zaproponował jego istnienie, by zbilansować energię rozpadu promieniotwórczego beta. Chodziło o to, że energia neutronu nie odpowiadała sumie energii cząsteczek, które z niego powstawały. To kłóciło się z innym fundamentem fizyki – zasadą zachowania energii. Rewolucjoniści, tacy jak Enrico Fermi, twierdzili, że mamy dowód na ograniczoną stosowalność tej zasady. Pauli był konserwatystą i wpadł na pomysł, że brakująca część energii unoszona jest przez trudną do wykrycia (a jego zdaniem w ogóle niewykrywalną) cząstkę, którą z czasem nazwano neutrino.
Przez 25 lat fizycy głowili się, jak ją schwytać. Neutrino nie ma ładunku elektrycznego, ma bardzo niewielką masę i bardzo słabo oddziałuje z innymi cząstkami. Aby mieć pewność, że zostanie zatrzymane, należałoby na jego drodze ustawić płytę ołowiu grubości jednego roku świetlnego (czyli, bagatela, 9,5 biliona kilometrów). Ostatecznie postanowili liczyć na łut szczęścia – sytuację, w której neutrino lecące przez w miarę gęsty ośrodek (wodę) uderzy w proton i zajdzie reakcja odwrotna do rozpadu beta, którą będzie można wykryć dzięki charakterystycznemu rozbłyskowi. Dwóch amerykańskich fizyków Fred Reines i Clyde Cowan postanowiło zbudować detektor neutrin, który składał się ze zbiornika wody obłożonego fotokomórkami rejestrującymi te delikatne błyski. Postawili go obok reaktora atomowego, który teoretycznie był dobrym źródłem neutrin. Po roku mieli wystarczająco dużo dowodów na istnienie tych cząstek.
Detektory neutrin nie zmieniły do dziś zasady działania. Buduje się je głęboko pod ziemią (lub pod wodą), w pokładach skał o niskiej radioaktywności, by odciąć wszystkie inne źródła promieniowania. Neutrina jako jedyne przechodzą bowiem przez naszą planetę, jakby po prostu nie istniała. Jednym z takich detektorów jest właśnie OPERA. Zbudowano ją, by badać jedną z fascynujących własności neutrina – tzw. oscylację. Dziś wiemy, że istnieją trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe; każdy z nich powstaje wskutek innego rozpadu cząstek elementarnych. Kilka lat badania pokazało, że cząstki, podróżując w czasie i przestrzeni zmieniają cyklicznie swój rodzaj (który fizycy nazywają zapachem). To trochę tak, jakby samochód w czasie jazdy zmieniał się ze Skody Fabii w Fiata Punto, by po chwili stać się Suzuki Alto i znowu Skodą Fabią. Dziwne, ale prawdziwe. I właśnie w trakcie badań tego dziwactwa odkryto zjawisko jeszcze dziwniejsze.
Wyzwanie dla Einsteina
Neutrina były produkowane w ośrodku CERN pod Genewą i rejestrowane w detektorze OPERA znajdującym się ok. 730 km dalej. Pokonały ten dystans o 60 nanosekund szybciej niż światło. Innymi słowy, wyprzedziły je o jakieś 18 metrów albo przekroczyły jego prędkość o jedną czterechsetną procentu. Przez pół roku 195 fizyków z Gran Sasso szukało błędów w aparaturze pomiarowej. Ostatecznie zdecydowali się opublikować wyniki, choć 15 z nich nie podpisało się pod publikacją.
Tymczasem Albert Einstein zaproponował – a potem wiele eksperymentów to potwierdziło – że prędkość światła jest nieprzekraczalną barierą, z jaką mogą poruszać się cząstki elementarne. Rewolucja w myśleniu polega tu na tym, że światło dla każdego obserwatora porusza się z tą samą prędkością. Konsekwencje tego są ogromne. Istnieje m.in. coś takiego jak dylatacja czasu w układach inercjalnych, która mówi, że jeśli dwa obiekty poruszają się względem siebie z dużą prędkością, to obserwator na jednym z tych obiektów „widzi”, że na drugim czas płynie wolniej (i vice versa). Wiele eksperymentów potwierdziło, że choć to dziwne, to jednak tak jest. Z drugiej strony różnice czasu, jakich doświadczają np. piloci odrzutowców, są znikome w stosunku do czasu upływającego na Ziemi i przez to niezauważalne.
Gdyby jednak coś mogło się poruszać szybciej od światła, zaczęłyby się pojawiać paradoksy, bo w ujęciu Einsteina oznacza to w zasadzie możliwość podróży w czasie. I choć sprawa dotyczy tylko cząstek elementarnych, to jest poważna, bo przecież za ich pomocą możemy przesyłać informacje. Na co dzień robimy to za pośrednictwem fotonów – czy to w formie światła widzialnego, czy fal radiowych. Gdybyśmy mieli nośnik informacji poruszający się z prędkością nadświetlną, moglibyśmy wysłać komunikat do samych siebie i odebrać go w przeszłości! A czegoś takiego do tej pory nie dopuszczała właśnie szczególna teoria względności.
Być może więc neutrina są tzw. tachionami. Fizycy już dawno wymyślili takie cząstki, które poruszają się szybciej niż światło, ale nie mogą zwolnić. Tachiony zaczęto badać już w latach 60. XX wieku. Jedną z ich własności jest to, że gdy tracą energię – przyspieszają (zwykłe cząstki w takiej sytuacji zwalniają). Przy zerowej energii mają nieskończoną prędkość, przy prędkości światła – nieskończoną energię. Bariera prędkości światła jest dla nich równie nieprzekraczalna jak dla zwykłych cząstek – tyle że w drugą stronę.
Potwierdzenie nadświetlnej prędkości neutrin byłoby wstrząsem dla współczesnej fizyki, być może prowadzącym do powstania nowej teorii, zastępującej dokonania Einsteina. „Wyniki uzyskane w detektorze OPERA wymagają dokładnego sprawdzenia i powtórzenia w innym eksperymencie. Fizycy tam pracujący z pewnością sprawdzili wszystkie czynniki, jakie mogli wymyślić, ale niewykluczone jest, że coś jednak pominęli lub źle oszacowali – np. dokładność pomiaru czasu. Zanim ogłosimy, że Einstein się mylił, poczekajmy na wyniki dwóch innych podobnych eksperymentów badających neutrina – MINOS w USA i T2K w Japonii” – mówi dr Justyna Łagoda z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.
Przez neutrina do gwiazd
Nawet jeśli okaże się, że neutrina nie są szybsze od światła, badania nad nimi mogą doprowadzić do powstania zupełnie nowej technologii. Chodzi o komunikację na kosmiczną skalę – nową generację internetu, która pozwoli na przesyłanie informacji między planetami czy statkami kosmicznymi. Stosowane dzisiaj fale radiowe mają wiele wad – rozpraszają się i słabną w miarę oddalania się od źródła, a przekaz informacji może zakłócić mnóstwo przeszkód: ciała niebieskie, obłoki pyłu czy fale intensywnego wiatru słonecznego (notabene stawia to pod znakiem zapytania wszystkie projekty poszukiwania cywilizacji pozaziemskich typu SETI, polegające wszak na nasłuchu radiowym).
Takie przeszkody nie mają jednak znaczenia dla neutrin – dla nich materia jest przecież niemal zupełnie przezroczysta. Dlatego uczeni wymyślili laser neutrinowy – urządzenie pozwalające na kontrolowane wytwarzanie wiązki tych cząstek, która mogłaby nietknięta przejść na wylot przez całą planetę czy miliardy kilometrów przestrzeni kosmicznej. Nieżyjący już amerykański fizyk Joseph Weber twierdził, że taką wiązkę można będzie łatwo wytworzyć i wykrywać, używając jej jako nośnika informacji.
Kilka lat temu ideą tą zainteresowała się firma Pirelli, znana nie tylko z opon samochodowych i ilustrowanych kalendarzy, ale też i wysokiej jakości światłowodów. Wyzwanie polega tu na zbudowaniu detektora neutrin, który będzie znacznie mniejszy od istniejących dziś olbrzymich instalacji. Czy to się uda? Firma nie zdradza na razie żadnych szczegółów, co oznacza, że nieuchwytne cząstki być może niedługo znów nas zaskoczą.
PS. Dziś wiemy już, że “nadświetlna” prędkość neutrin była wynikiem banalnego błędu technicznego pracowników ośrodka w Gran Sasso.