Сверхновые и нейтрино

Original author: Matt Strassler
  • Translation
Сверхновые – самые распространённые и мощные ядерные бомбы природы. А также это одни из самых полезных явлений для физики частиц и астрофизики.

В сверхновых, у которых коллапсирует ядро, огромное количество протонов через поглощение электронов превращается в нейтроны, с последующим выходом наружу нейтрино. Осуществление этого процесса – одна из важнейших ролей слабого ядерного взаимодействия в природе. Каким-то образом – учёные пока работают над этим вопросом – результирующие ударные волны (возможно, им помогает неизвестная пока нам сила?) разрывают звезду на части.

Одним из наиболее захватывающих событий, произошедших в истории астрономии, был взрыв гигантской голубой звезды в крупнейшей из наших спутниковых галактик, Большом Магеллановом Облаке, произошедший в 1987 году. Это яркое пятно легко увидеть к югу от экватора. Астрономы, смотревшие на небо невооружённым глазом в феврале 1987 года, увидели в Облаке звезду, которой там не должно было быть. Это простое наблюдение породило величайшую волну астрономической активности, прокатившуюся по южной половине Земли, поскольку каждый астроном, у которого были такие возможности, спешил воспользоваться таким случаем, возникающим раз в жизни.

Сверхновая сияет так ярко, что её свет на время способен превзойти свечение всей содержащей её галактики. Однако же лишь малая часть её энергии излучается в виде света, или в виде других форм энергии, которые в итоге превращаются в свет. Большая часть энергии сверхновой устремляется вовне в невидимой форме упомянутых выше нейтрино.

Вот несколько потрясающих цифр, взятых с обучающего сайта Стивена Майерса, работающего астрономом в Национальной радиоастрономической обсерватории Сокорро (Нью-Мексико).
Почти вся энергия сверхновой 1987 года преобразовалась в легковесные слабо взаимодействующие нейтрино. В результате коллапса ядра было создано 1058 нейтрино. 24 февраля 1987 года порядка 1013 нейтрино с этой сверхновой прошли через ваше тело! Тела порядка миллиона человек на Земле провзаимодействовали с этими нейтрино, хотя, конечно, без каких-либо последствий.
Да, именно так – сквозь ваше тело прошло 10 триллионов нейтрино, получившихся в результате взрыва звезды, расположенной в 160 000 световых годах – в несколько раз дальше, чем центр Млечного пути. Какая всё-таки удивительная у нас Вселенная.

Тысячи триллионов нейтрино прошли через несколько детекторов нейтрино, и из них всего лишь пара десятков прореагировала с чем-либо. Эти столкновения были зарегистрированы в течение 13 секунд. В этот момент никто особенно внимательно не присматривался к этому событию, но после того, как сверхновую заметили, экспериментаторы вернулись к данным и обнаружили в данных этот шквал нейтрино. Он случился примерно за 20 часов до первого наблюдения неожиданной звезды в Большом Магеллановом Облаке. Это открытие стало рождением нейтринной астрономии, которая сегодня является активной областью исследований.

Изучение старых фотографий привело к обнаружению одной из них, на которой виден свет сверхновой, зафиксированный всего через 3 часа после прибытия нейтрино на Землю. Поскольку ударная волна сверхновой должна была пробраться изнутри взрывающейся звезды наружу перед тем, как осколки могли бы начать сиять, а нейтрино, порождённые взрывом, могли мгновенно пробраться сквозь слои звезды, то задержки между прибытием нейтрино и прибытием света стоило ожидать.

Эта история чудесна и интересна, но почему я заговорил о ней? Тому есть две причины.

Во-первых, недавно [оригинал статьи датирован 2011 годом – прим. перев.] мы обнаружили относительно близко расположенную сверхновую, что очень интересовало астрономов. Но пресса показала отсутствие понимания масштабов.

  • Множество заголовков писало про "Ярчайшую сверхновую за 40 лет", "Самую молодую и ближайшую сверхновую за десятилетия". Не думаю, что для подсчёта времени, прошедшего со сверхновой 1987 года вам нужна учёная степень по физике.
  • Эта сверхновая расположена в 20 млн световых лет – более, чем в 100 раз дальше, чем сверхновая 1987 года.
  • Эту сверхновую могут увидеть любители, но только в очень хороший телескоп или в очень хороший бинокль тёмной ночью – невооружённого глаза будет недостаточно. Сверхновая 1987 года была достаточно яркой для того, чтобы разглядеть её невооружённым взглядом.

Отчего получились такие несоответствия? Сверхновые бывают разных типов. В 1987 мы видели сверхновую типа II, у которой ядро звезды коллапсирует, и протоны, как описано выше, превращаются в нейтроны, с вылетом нейтрино. А недавняя сверхновая относится к типу Ia, который взрывается другим, не до конца понятным пока, образом. Сверхновые Ia крайне важны для астрономии – они показывают высокую регулярность, которую можно использовать для измерения расстояния до них с Земли. Этот факт сыграл центральную роль в открытии того, что космологическая константа Вселенной, которую иногда называют «тёмной энергией», не равна нулю. Поэтому астрономы очень рады возможности исследовать сверхновую типа Ia во всех деталях и при помощи современного оборудования – особенно такую, которую открыли вскоре после взрыва.

В общем, то самая яркая и ближайшая и наиболее полезная для науки сверхновая типа Ia за несколько десятилетий (мы не считаем сверхновую 1986 года, которую было сложно увидеть и изучить) – хотя она вовсе не такая яркая или близкая, какой была сверхновая 1987 года типа II.

Во-вторых, в блогосфере ходили слухи о нейтрино, передвигавшихся быстрее скорости света [позднее их опровергли, обнаружив ошибку эксперимента – прим. перев.]. Луч высокоэнергетических нейтрино из лаборатории ЦЕРН якобы прибыл в итальянскую лабораторию в Гран-Сассо раньше, чем ожидалось – это наблюдали в эксперименте OPERA,

Но к таким заявлениям стоит относиться со здоровой долей скептицизма. В частности, это следует из наблюдений за сверхновой 1987 года.

Как я уже говорил, все нейтрино от сверхновой 1987 года прибыли на Землю в промежутке 13 секунд, а затем за ними почти через три часа пришёл и свет от сверхновой. Эта задержка оказалась примерно равной ожидаемой. Такие совпадения явно свидетельствуют в пользу того, что нейтрино передвигались ни сильно медленнее, ни быстрее света – они двигались примерно с одной скоростью. Задумайтесь: эти нейтрино летели 168 000 лет, порядка 5 трлн секунд, и прибыли на Землю с разбросом не более 13 секунд друг от друга, и на 3 часа (10 000 секунд) раньше света. Если бы нейтрино двигались на одну миллионную часть быстрее света, они прибыли бы за многие месяцы до света. Если на одну миллионную долю медленнее – они бы прибыли через несколько месяцев после света. А если бы по скорости нейтрино отличались друг от друга на одну миллиардную, то они прибыли бы с разбросом не в 13 секунд, а в часы.

Короче, эти данные свидетельствуют о том, что нейтрино перемещались со скоростью света с чрезвычайно высокой точностью – до нескольких частей на миллиард.

Чтобы измерить эффект разницы в несколько частей на миллиард на скорости нейтрино, перемещавшихся из ЦЕРН в Гран-Сассо – на расстояние в 730 км, которое свет может пройти за 1/400 секунды, потребовалось бы измерять время путешествия нейтрино с точностью в доли наносекунды (одной миллиардной доли секунды). Очень сложно измерить время точнее наносекунды; координация часов, расположенных в 730 км друг от друга, сама по себе была бы достижением. В физических экспериментах измерение пикосекунд (одной триллионной доли секунды) проводится очень редко – типичный промежуток для экспериментов на БАК составляет 100 пикосекунд или более.
Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 26

    –11
    -Да, именно так – сквозь ваше тело прошло 10 триллионов нейтрино-

    Сколько нейтрино прошло через Солнечное ядро… и провзаимодействовали. По разным оценкам до фотосферы волна активности дойдет через 30 — 100 лет.Такое уже было, помню как щас: в Норвегии рос виноград, местные жители расплодились и начали расползаться во все стороны, как тараканы: территории современной Британии и России были ими оккупированы, местные жители частично уничтожены или превращены в рабов.
    Насчет потепления климата можно особо не париться, климат потеплеет так или иначе. Сейчас важно застолбить территории, на которые можно в случае чего переселиться, например, Украину.
      +4

      И место в очереди к психотерапевту тоже надо застолбить

        +1
        Такое уже было, помню как щас: в Норвегии рос виноград, местные жители расплодились и начали расползаться во все стороны, как тараканы: территории современной Британии и России были ими оккупированы, местные жители частично уничтожены или превращены в рабов.

        Долгая у вас, однако, память...

          +4
          Чего напали на человека. Он имеет ввиду, что нейтрино катализировали ядерные реакции внутри Солнца, только мы об этом ничего не знаем, т.к. фотоны из ядра с 1987 года ещё не достигли поверхности Солнца. А когда достигнут, а случится это может уже скоро, мы заметим рост температуры Солнца.

          Перевожу дальше. Такое уже было после 1054 года, когда «взорвалась Крабовидная туманность». Аналогичный эффект повлёк изменения климата и как следствие бурные исторические события.

          Но я прошу всех успокоиться: ничего такого не было и не будет.
            0
            Спасибо за перевод. Небольшие уточнения:
            Нейтрино катализируют не ядерные, а термоядерные реакции.
            Взорвалась не Крабовидная туманность. Эта туманность — то, что осталось после взрыва.
            Почему это не будет, если уже было?
            Можно посчитать диаметр Солнца, скорость звука, и время — получается порядка 100 лет.
            Изменения в потоке нейтрино из Солнечного ядра в самом деле произойдут сразу, вот только как его измерить, и как определить, что произошли какие-то изменения?
            Короче, прощу всех успокоиться: изменения будут достаточно плавными. Не надо бежать в магазин и покупать кондиционеры и вентиляторы. Тем более, они способствуют потеплению климата. Нужно подумать об изменении конструкции зданий, чтобы можно было обходиться без них. Например, — все здание поворачивается на 180 градусов и зимой все окна обращены на солнечную сторону, летом наоборот.
            0
            Фотоны выходят долго, но информация о изменениях условий внутри как раз должна выходить быстро — со скоростью порядка звука или возможно волн плавучести. И если солнце внутри чуть больше прогреется, то тут же немного вздуется в течении не больше чем пару дней. При этом солнце как и положено при адиабатическом расширении, немного потускнеет — кажеться так.
              0
              Ну и опять-таки поток солнечных нейтрино должен измениться сразу же. Потому и пишу, что ничего подобного не будет.
                +1
                При каталитическом ускорении реакций ядерного синтеза в ядре Солнца нагреется только ядро, причем, несмотря на относительно большое тепловыделение относительный нагрев будет ничтожным, ведь ядро и так разогрето до миллионов градусов, и имеет большую плотность, а значит и теплоёмкость. А значит ничтожным будет и увеличение диаметра ядра. Заметно увеличится Солнце может за счёт нагрева разреженного и не очень горячего конвективного слоя, а он отделён от ядра зоной лучевого переноса толщиной порядка 400 тысяч километров — и это, за счёт отсутствия конвекции, очень хорошая теплоизоляция, непонятно откуда взялась задержка всего лишь в 30..100 лет.
              0
              прибыли на Землю в промежутке 13 секунд
              Т.е. вся реакция в звезде, из-за которой получились эти нейтрино заняла всего 13 сек?
                0

                Еще возможно, что это произошло быстрее, но часть задержки связана как раз с колебаниями скорости света. Но если они есть, то как сказано в статье, они ничтожно малы

                  –2
                  image
                  Скорость света может изменятся (замедляться) но не нейтрино, как показал эксп. выше.
                  Там где ЭМВ замедлились бы (земная твердь) поток нейтрино прошел все с той же скоростью света.
                    +1
                    сомневаюсь, что эксперименты, проводимые землянами в ближайшие 1000 лет будут достаточно точными, чтобы сделать окончательный вывод о возможности/невозможности замедлить нейтрино. Опять таки, если за 168000 лет при скорости С разброс составил не более 13 световых секунд, получается скорость света изменяется не более чем на 2,5E-10 %
                      0

                      Тем не менее, эксперименты, проводимые землянами, достаточно точны, что бы сделать окончательный вывод о возможности замедлить свет. В прозрачной среде он распространяется медленнее, чем в вакууме. Для нейтрино это не так (потому что не взаимодействуют), в этом и интерес.


                      P.S. Refractive index, кому интересно, на Вики вполне подробная статья с ссылками.

                    +2
                    Про колебания скорости света я бы утверждать поостереглась, а вот дисперсия скорости вполне может быть причиной.

                    Кроме того, меня удивляет, что автор так напирает на световую скорость нейтрино. Это, извините, не так! Нейтрино имеют массу, поэтому скорость заведомо ниже световой, а значит есть и разброс скорости. Меня удивляет почему эта дисперсия так ничтожна, всего 13 секунд? Впрочем малость дисперсии, как раз и говорит о ничтожности массы.
                      +1
                      А почему считают, что 13 секунд — это имеено разброс по времени? Может быть 13 секунд длилась реакция в ядре сверхновой, в течение которой выделялись нейтрино? Или 13 световых секунд — это диаметр (или радиус?) очага, из которого вылетели нейтрино, и поэтому нейтрино с ближнего к нам края прилетели на 13 секунд раньше.
                      Или 13 секунд даёт комбинация этих и других факторов.
                        +1
                        Ну да разумеется. Эти 13 секунд могу складываться из чего угодно в неизвестной пропорции.
                        0
                        Под колебаниями имелся ввиду разброс, по сути дисперсия.

                        Еще тут вопрос в том, имеется ли масса покоя у нейтрино и какие факторы могут повлиять на изменение скорости или начальный импульс. Эти вопросы не менее интересны для меня, но я в квантовой физике не силен, потому было бы интересно услышать мнение науки на этот счет.
                          +1
                          Масса у нейтрино точно есть, это доказывается наблюдением нейтринных осцилляций — перерождение нейтрино туда-сюда между электронным, мюонным и пионным. В отсутствии массы осцилляции были бы невозможны. Вот только значение массы не известно, есть только максимальные оценки сверху.
                    –4
                    сделать окончательный вывод о возможности/невозможности замедлить нейтрино

                    Читаем, причиной ошибочного вывода о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля). Какой зазор был в разъеме? Если 30 см то это 1наносекунда но такого зазора даже в плохо вставленном разъёме быть не может.
                    Что такое нейтрино? Постулировали что это хрень имеющая массу как в покое так и в движении, ненулевая масса покоя со скоростью света? Как там с бесконечностью приложенной для достижения такого? Дальше, хрень как и фотон обладает волновой функцией и поэтому просто обязана интерферировать в земной тверди, т.е. замедляться как и фотоны, ат нет, скорость света в земной тверди. Но поскольку хрень все же интерферирует, построены детекторы нейтрино на жидком ксеноне размерами с огнетушитель и с такой же эффективностью как у детекторов на воде. То остается только:
                    1. Эксп. ЦЕРН — Гран-Сассо неудачный рекламный фейк.
                    2. Эксп. ЦЕРН — Гран-Сассо показал что да, даже с учетом замедления скорость нейтронов существенно выше скорости света. Полученное совпадение со скоростью света, с учетом замедления случайное.
                    3. Нейтрино нет в природе, ибо хрень имеющая волновую функцию просто обязана замедлятся в идеально однородной среде с епсилон больше чем у вакуума, естественно при этом не затухая (нет взаимодействия) как и у фотона в аналогичных условия.

                    Каждый выбирает пункты по вкусу. Мне нравится больше всего п.3.

                      +3
                      Какой зазор был в разъеме?

                      Проблема не в зазоре, а в ослаблении сигнала и схеме его детектирования в цепях синхронизации часов. Есть публикация, в 3-4 й версии которой учли ошибку от этого разъема с описанием проблемы: https://arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf
                      см стр 19 —


                      Further investigations, that lasted until mid February
                      2012, revealed that the difference originated from an optical cable not properly connected
                      thus reducing the amount of light received by the optical/electrical converter of the Master
                      Clock.
                      Figure 10. A simplified scheme of the OPERA Master Clock opto-electronic circuit used to convert the ESAT PPmS optical signal into an electric signal.
                      Figure 11. The ESAT 1PPS time reference propagated underground through an 8.3 km optical path (blue), the Master Clock PPmS (green) and the Master Clock PPmS taken at an early stage of the amplifier circuit (red). Top: signals taken with the connectors correctly plugged; bottom: signals taken with connectors wrongly screwed in positions which provide an extra delay of ∼74 ns

                      Было несколько заметок об ошибке: http://www.nature.com/news/flaws-found-in-faster-than-light-neutrino-measurement-1.10099 22 February 2012, http://www.nature.com/news/timing-glitches-dog-neutrino-claim-1.10123 27 February 2012
                      и есть статья в англ. вики https://en.wikipedia.org/wiki/Faster-than-light_neutrino_anomaly "Later the team reported two flaws in their equipment set-up that had caused errors far outside their original confidence interval: a fiber optic cable attached improperly, which caused the apparently faster-than-light measurements, and a clock oscillator ticking too fast." — сноской в ней указано подробное объяснение https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/neutrinos/neutrinos-faster-than-light/opera-what-went-wrong/


                      Оптический коннектор не был зафиксирован (не закрутили гайку)


                      Sometime over the next few days, efforts to track down the problem led people to discover that the fiber carrying the laser pulse to OPERA’s converter had not been screwed correctly into the box. This is shown in Figure 3. Despite reports in the press, this is not a “loose wire”.… optical fiber isn’t what most people think of as a wire — it carries light, not electrical current; and it wasn’t loose, it just wasn’t screwed in all the way. That’s relevant, as we’ll see.

                      Из-за неправильного соединения входящий лазерный импульс ослаблялся и электрический сигнал на выходе схемы усиления после фотодиода значительно позже проходил пороговый уровень (условно: вместо 50 нс задержки в схеме детектирования сигнала получили около 123 нс):


                      The reason an unscrewed fiber can cause a time delay is the following (and this was guessed almost precisely by Eric Shumard, one of the commenters on this site, shortly after OPERA’s problems became public.) It is shown in Figure 4. The timing system works by sending a laser pulse, of considerable length and high intensity, at prescribed intervals (once every thousandth of a second), down the fiber. The start of one of those pulses is shown in yellow at the top of Figure 4. That pulse then enters the box. Rapidly (but note Eric Shumard’s comment on this post), over about 100 nanoseconds, that pulse generates an electrical voltage (shown in blue) inside the box (I’m skipping some electronics details) and when the voltage reaches 5 Volts, it causes the Master Clock to register the timing pulse and fire off a signal (shown in pink-purple) to the rest of the OPERA experiment. But when the fiber isn’t screwed in right, an effect such as that shown at the bottom of Figure 4 results; not as much light as expected enters the box, and this slows the rate at which the electrical voltage builds up, delaying the point at which 5 Volts is reached, and therefore delaying the Master Clock timing pulse. The whole effect is several tens of nanoseconds, depending on how improperly the fiber is screwed in. This is the effect that generated OPERA’s apparently early neutrino arrivals.

                      Скрытый текст
                      Fig. 3: Before and after pictures documenting that the problematic fiber (not a copper wire but an optical fiber) carrying a laser pulse for timing was not "loose" but incorrectly plugged in — not screwed in all the way. Why this caused a time delay is explained below.
                      https://profmattstrassler.files.wordpress.com/2012/04/operafiberplug1.png
                      image

                      Fig. 4: How the problematic fiber caused the delay. Upper half: how things work when the fiber is properly plugged in; Lower half: how things work when the fiber is improperly plugged in. A laser pulse travels down the fiber and enters the optical-to-electrical converter box (yellow curve); it enters electronics that responds with a voltage buildup (blue curve); when the voltage reaches 5 Volts the Master Clock sends a timing signal into the OPERA experiment (pink-purple curve.) If the fiber is not screwed in all the way, the light entering the converter box is reduced, which reduces the rate at which the voltage builds up and delays the Master Clock signal by tens of nanoseconds, causing the apparent travel time of the neutrinos to be underestimated. ("ToF" means "time of flight".)
                      https://profmattstrassler.files.wordpress.com/2012/04/operadelaycause.png?w=600&h=450
                      image
                        +1
                        как прекрасный шуруп держит карточку :)
                        –1

                        А какой зазор в разъёмах роутера, что пакеты на несколько миллисекунд задерживаются? Все же пауза не из-за расстояния в зазоре, а из-за плохого контакта.

                          0

                          А по поводу скорости все просто. Представьте, что скорость меньше на 1 нанометр в секунду, замедление в земле ещё на 1 нанометр. Никакой бесконечности не потребуется, верно?

                            0
                            обязана замедлятся в идеально однородной среде с епсилон больше чем у вакуума

                            при чём же здесь эпсилон, если нейтрино нейтральны и взаимодействуют только слабо?

                            0

                            Насколько я помню, в 1987 году точность определения времени прихода нейтрино у японского детектора была около 60 секунд, в отличие от других. И еще был полный разнобой в данных по энергии нейтрино во всех детекторах

                              –1
                              Можно представить нейтрино в виде Сёрфингистов, плывущих на гравитационной волне, искажающей пространство время, кто-то на гребне, кто-то чуть ниже, распределение нейтрино, относительно волны может давать 13 сек, при этом происхождение волны, или нескольких грав. волн в принципе не важно.

                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.