Если тахионы являются физическими частицами, способными взаимодействовать со стандартной материей, их сверхсветовая (v > c) природа оставила бы отчётливые, недвусмысленные сигнатуры в детекторах частиц. На протяжении последних шести десятилетий экспериментальные физики использовали времяпролётные детекторы, пузырьковые камеры и обширные подземные нейтринные обсерватории для поиска этих неуловимых объектов.
1. Вакуумное черенковское излучение
Наиболее строгое ограничение на существование электрически заряженных тахионов исходит от явления черенковского излучения. В диэлектрической среде (например, воде или стекле) свет движется медленнее c. Когда стандартная заряженная частица проходит через эту среду быстрее локальной фазовой скорости света, она испускает направленный конус электромагнитного излучения -- оптический аналог ударной волны.
Поскольку тахион всегда движется быстрее c, заряженный тахион испускал бы черенковское излучение даже в совершенном вакууме.
Это спонтанное излучение вызывало бы непрерывную потерю энергии тахионом. Из-за инвертированного соотношения энергии и скорости тахионов (E стремится к 0 при v, стремящемся к бесконечности) потеря энергии заставляла бы тахион стремительно ускоряться к бесконечной скорости, излучая оставшуюся энергию практически мгновенно. Астрофизические наблюдения космического вакуума не обнаруживают таких спонтанных непрерывных вспышек вакуумного черенковского излучения, устанавливая невероятно строгие нижние пределы на сечение взаимодействия гипотетических тахионов с электромагнитным полем.
2. Времяпролётные (TOF) измерения
Наиболее прямой метод обнаружения тахиона -- измерение его скорости на известном расстоянии. Времяпролётные (TOF) эксперименты используют высокосинхронизированные сцинтилляторы или кремниевые трекинговые детекторы, расположенные на расстоянии метров или километров друг от друга.
Если частица генерируется в детекторе A в момент t_1 и прибывает в детектор B в момент t_2, скорость равна просто Δx / Δt. Если это значение превышает c после учёта систематических ошибок и задержек сигнальных кабелей, это было бы кандидатным тахионным событием.
Аномалия OPERA 2011 года
Эксперимент OPERA в лаборатории Гран-Сассо представлял наиболее известную аномалию TOF в истории. Мюонные нейтрино прошли 730 километров от ЦЕРН до Гран-Сассо. Первоначальные расчёты показали, что они прибыли на 60 наносекунд раньше, чем фотон в вакууме (v ≈ c + 2,5 × 10⁻⁵ c). Это вызвало масштабный кризис парадигмы, пока аномалия не была отнесена к ослабленному оптоволоконному кабелю в системе синхронизации GPS. После исправления нейтрино оказались полностью совместимы с v ≤ c.
3. Недостающая масса и сигнатуры отрицательного квадрата массы
В коллайдерах частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК), тахионы теоретически могли бы рождаться в высокоэнергетических столкновениях. Поскольку тахионы имеют мнимую массу покоя (m₀ = iμ), их квадрат массы отрицателен (m₀² = -μ²).
Физики ищут эти сигнатуры, используя кинематику инвариантной массы продуктов распада. Тщательно измеряя энергию и импульс всех частиц, входящих и выходящих из столкновения, они могут рассчитать «недостающую массу».
Если вычисленный (m_missing)² устойчиво и значительно меньше нуля (за пределами порога разрешения детектора), это указывало бы на испускание невидимой тахионной частицы, уносящей пространственноподобный четырёхимпульс. Обширный анализ данных пузырьковых камер и современной кинематики на коллайдерах пока не дал статистически значимого пика отрицательного квадрата массы.
4. Атмосферные ливни космических лучей
Космические лучи сверхвысоких энергий бомбардируют верхнюю атмосферу Земли, вызывая массивные каскады вторичных частиц, известные как широкие атмосферные ливни (ШАЛ). Если тахионы существуют, они могли бы рождаться при первичном столкновении высоко в стратосфере.
Поскольку тахионы движутся быстрее света, они достигали бы наземных детекторов раньше основного фронта ливня (состоящего из фотонов, электронов и мюонов, движущихся со скоростью c или чуть ниже). В 1970-х и 1980-х годах несколько экспериментальных групп установили детекторы совпадений для поиска этих «предвестниковых» сигналов, приходящих за микросекунды до основного ливня космических лучей. Хотя были зарегистрированы несколько аномальных предвестниковых попаданий, ни одно из них не было статистически воспроизводимым, и все они были в конечном итоге отнесены к случайному шуму детекторов или независимым фоновым космическим лучам.
Заключение: нулевой результат
Десятилетия строгих эмпирических поисков в обширном диапазоне энергий дали глубокий нулевой результат. Отсутствие вакуумного черенковского излучения, разрешение аномалии OPERA и отсутствие кинематики отрицательного квадрата массы убедительно свидетельствуют о том, что физические тахионы-точечные частицы, взаимодействующие с материей, не существуют. Однако именно эти отрицательные экспериментальные результаты привели современную физику к переинтерпретации тахионов не как движущихся частиц, а как нестабильных квантовых полей.