Какова максимальная точность измерения разницы во времени, достижимая сегодня?

На самом деле это не ответ на вопрос в заголовке, а описание того, почему предлагаемое измерение скорости нейтрино с короткой базой чрезвычайно сложно. Оно связано с вопросом в том смысле, что объясняет пределы точности, с которой$\delta t$могут быть извлечены в нейтринном эксперименте, даже не касаясь той сверхточной работы с синхронизацией, которую любят делать NIST и связанные с ней организации.

Во многих случаях возможно получить очень высокую точность синхронизации, но нейтрино создают несколько особых проблем.

• Даже при энергии пучка ускорителя (несколько ГэВ, как в пучке OPERA) поперечное сечение взаимодействия нейтрино крошечное. Таким образом, чтобы получить какую-либо ставку, вы делаете две вещи.

  1. Сделайте детектор большим. Десятки тысяч тон для некоторых дальних детекторов и несколько тонн (или, по крайней мере, сотни килограммов) для ближних детекторов. Массивные детекторы имеют нетривиальные размеры, поэтому вам необходимо скорректировать время, в течение которого сигналы развиваются, обнаруживаются и преобразуются в фиксируемые электронные сигналы. Вы заметите, что в случае статьи OPERA эти поправки были порядка нескольких десятков нс каждое. Каждая из этих поправок несет в себе систематическую ошибку.

  2. Лучи должны быть очень интенсивными. В идеале вы должны сгенерировать единую связку частиц-предшественников (протонов в случае OPERA) и ударить ими по цели за время, меньшее, чем вы ожидали.$\delta t$, а затем подождите время, намного большее, чем$\delta t$до прибытия следующей группы. Но из-за ограничений ускорительной технологии и нейтринного поперечного сечения это проигрышная игра. В случае OPERA они направляют протоны на цель небольшими пучками в течение 10 микросекунд за раз. Не существует единственного способа определить время происхождения каждого нейтринного события в дальнем детекторе. Таким образом, статистический метод, который они использовали (это одно из моих любимых мест, чтобы заподозрить процедуру OPERA, хотя они сделали реальную попытку справиться с ней) изначально, теперь они использовали подход с короткими группами с более низкой статистикой, который в значительной степени исключает это как возможный источник ошибки.

• Пучки нейтрино плохо сфокусированы.

  Вы можете подумать, что с помощью расположенного поблизости детектора вы сможете решить обе эти проблемы одновременно, соорудив очень маленький детектор.

  Вы сталкиваетесь с двумя проблемами.

  1. К этому моменту луч уже достигает нескольких метров в поперечнике, поэтому очень маленький детектор усугубляет проблему малого поперечного сечения.

  2. Вы должны быть достаточно далеко, чтобы потерять мюоны, поскольку их генерируется нетривиальное количество, и даже если вы, вероятно, сможете идентифицировать их, наложив вето на время их прибытия (и это должно быть умеренно долгое вето из-за риска продуктов расщепления) вы должны уйти достаточно далеко, чтобы мертвое время не убило вас.

     Вы могли бы использовать большой магнит развертки после остановки луча линии затухания. Звучит многообещающе, но тогда вы теряете лучший инструмент для определения того, когда у вас могут быть продукты расщепления (на которые вы должны наложить вето или вычесть), поэтому вам нужно пойти достаточно далеко вниз по течению, чтобы избавиться от большинства из них.

• Начальная точка плохо определяется на шкале коротких расстояний.

  Пучки нейтрино образуются при распаде частиц высокой энергии в полете . Поскольку время этого распада является случайным в экспоненциальной зависимости, вы не знаете точно, где зародились нейтрино. Вам придется измерять в каком-нибудь известном месте и делать поправку на время полета этих более тяжелых частиц в рупоре. Теперь, когда мы вполне уверены, что сможем сделать это в масштабе нескольких нс, невозможно сделать намного лучше, чем это.

Кстати, если вы думаете, что OPERA кажется недостаточно оптимизированной для этого измерения, это потому, что это так. Это паразитное измерение, которое просто использует преимущества машины, предназначенной для измерения параметров смешивания нейтрино в$\nu_\mu \to \nu_\tau$канал внешнего вида, и необходимость однозначно идентифицировать$\nu_\tau$события заряженного тока (путем однозначного наблюдения$\tau$-лептон) определяет конструкцию детектора.

Чтобы ответить на вопрос в заголовке,$10^{-15}$секунды можно регулярно измерять оптическими гребенками ( обзор см. здесь ). Согласно Википедии , можно измерить и процессы в десятые доли фемтосекунды.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Как указал Георг, частотная гребенка бесполезна для измерения времени пролета частиц между двумя удаленными точками (и, возможно, даже на короткие расстояния? Я не знаю).