光より速いニュートリノは、GPSが特殊相対性理論を考慮に入れていないことで説明できるかもしれない

つまり、アインシュタインは宇宙の速度の限界について間違っていなかったかもしれないということだ。特殊相対性理論は安全であるだけでなく、光より速いニュートリノについても説明できる。ニュートリノは光速の壁を破っているのではなく、ニュートリノの速度をチェックする時計の相対論的動きのおかげで、そう見えるだけなのだ。

皆さんも覚えていると思いますが、数週間前、CERN の科学者たちがニュートリノが光より速く動いていることを示すデータを発表し、物理学界を沸かせました。具体的には、ニュートリノは遠くのニュートリノ検出器に光がニュートリノを移動する時間より約 60 ナノ秒速く現れていました。しかし、物理法則によれば、これはあり得ないことでした。エマルジョン追跡装置を備えた振動プロジェクト チームは (ちなみに、この結果を求めていたわけではありません)、時計を調整し、距離を測定し、数字を計算して説明を探しました。

困惑した彼らは、その研究結果を物理学界全体に押し付け、その研究は徹底的に批判された。それから3週間で、プレプリントサーバーarXivには、この実験の意味を解明しようとする論文が100本近くも掲載された。物理学者たちは、測地学の不備から時計のタイミングの悪さまで、あらゆることを非難し、他の素粒子物理学観測所もこの結果を再現しようと懸命に取り組んでいる。

オランダの物理学者は、それは実に単純なことだと言っている。OPERA チームは時計の相対論的な動きを見落としていたのだ。Technology Review の arXiv ブログでは、この論文をここで取り上げている。

OPERAはニュートリノ振動を研究していた。ニュートリノ振動では、幽霊のような粒子が1つのタイプから別のタイプに切り替わる。彼らはCERNのニュートリノビームからミューニュートリノを発射し、それをイタリアのグランサッソに送り、研究者たちがそのうちの何個がタウニュートリノになったかを数えた。この実験では、地球の慎重な測定とともに、2つの場所の時計を超高精度で同期させる必要があった。チームはこれを、地球の約12,500マイル上空を周回しながら時刻信号を送信するGPS衛星を使って行った。OPERAチームは、これらの時刻信号の1つが地球に到達するのにどれくらいかかるかを計算する必要があった。しかし、オランダのフローニンゲン大学の物理学者ロナルド・ファン・エルブルグ氏によると、彼らは時計の相対論的運動を考慮していなかったという。

衛星からの無線信号は光速で伝わりますが、これは衛星の速度とは無関係です。これは特殊相対性理論の中心的教義の 1 つです。「光は常に、放射体の運動状態とは無関係な一定の速度cで空間を伝搬する」とアインシュタイン自身が述べています。

しかし、衛星は動いているので、衛星から見ると、ニュートリノと検出器の位置は変化しています。ニュートリノは検出器に向かって移動しており、検出器はニュートリノの発生源に向かって移動しているように見えます。そのため、発生源と目的地の間の距離は、地上で観測する場合よりも短く見えるのです。

「その結果、この基準フレームでは、[粒子] が移動する距離は、発生源と検出器を隔てる距離よりも短くなります」とヴァン・エルバーグは書いています。この現象が見落とされているのは、OPERA チームが時計を地上 (物理的には地上にあります) にあると考えており、同期基準点がある軌道上にあるとは考えていないためです。

高度、軌道周期、赤道傾斜角、その他の指標を使用して、ヴァン・エルバーグは誤差率を計算します。「観測された飛行時間は、ベースラインバウンドクロックを使用した飛行時間よりも約 32 ナノ秒短くなるはずです」と彼は書いています。これは両方のクロック位置で行われるため、これを 2 倍にすると、64 ナノ秒の早期到着時間が得られます。これで、OPERA の異常がほぼ説明できます。

「この論文は、協定世界時（UTC）がその名前が示すほど普遍的ではなく、私たちの時計がどのように動いているかを考慮する必要があることを示している」とヴァン・エルバーグ氏は書いている。

もちろん、彼の論文はまだ出版されておらず、OPERA の研究者と同じ精査と査読を受けているため、ファン・エルバーグの理論をすぐに受け入れることはできません。しかし、それは確かに便利な説明です。また、皮肉なことに、アインシュタインの特殊相対性理論は最初から正しかっただけでなく、その理由まで示しています。

[テクノロジーレビュー経由]