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中微子真的是超光速么？ 已有45人参与
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中国科学报：中微子公案 加拿大萨德伯里中微子天文台 这些“我行我素”的中微子，在人类逐渐认识它的历史中，曾制造了不少公案。而人类也似乎对它特别垂青，在电影《2012》中，它甚至被人类假想成世界的“毁灭者”。 ■本报记者 吴昊 自从被发现至今，中微子一直“不安分”。2011年，它着实又火了一把，烧得让许多人既兴奋又紧张。 在这场与光速的赛跑中，中微子以微弱的优势“赢”了。尽管它并没有和光速“同台竞技”，尽管大多数科学家都持质疑态度。 “然而，中微子速度如果真的超过光速，那么该如何将这些淘气的微粒纳入物理学？”新年伊始，英国《新科学家》杂志在展望2012年时，把对它的期待放在首位。 这些淘气的微粒子，在被人类逐渐认识的历史中，就曾制造了不少公案。而人类也似乎对它有特别的垂青，在电影《2012》中，它甚至被人类假想成世界的“毁灭者”。 神龙见首不见尾 它叫中微子，英文名Neutrino。它与宇宙同龄，是物质世界最基本的粒子之一；它无所不在，任何物质都有它一份；它静止质量几乎为零，还不带电荷；它性情孤僻，从不与一般物质打交道；它跑得和光不相上下，穿透力极强，甚至可以轻而易举穿过地球。 如果告诉你，每一秒钟就有50万亿个中微子穿过你的身体，你可千万别被数字吓倒，要知道，太阳中心的热核反应每秒钟会生产约2×1030个中微子；你同样也别担心，它虽然可以自由进出你的身体，却不会带来任何危害。 我们的身体和大部分宏观物体一样由分子组成，而分子由原子构成，原子中又有原子核和电子，原子核再细分，包含了质子中子，质子和中子的基本单位是夸克。 夸克是强子，参与已知的所有相互作用——强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。同样是构成物质世界最基本的粒子，电子的地位略低一些，不参加强相互作用；而和电子一道被称为轻子的中微子，更“微不足道”，质量只有电子的百万分之一，只参加弱相互作用和引力作用。 正因为中微子极其微小，又不与其它物质反应，它的发现可是颇费周章。 上世纪20年代末，科学家观测到，物质在β衰变过程中，电子只带走了一部分能量，还有一部分能量失踪了。 1930年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，认为这部分能量被一种不被人们认知的粒子带走了，这种粒子静止质量为零、电中性，与物质的相互作用极弱，以至仪器都很难探测得到。 1932年，它被意大利物理学家费米正式命名为“中微子”。然而，这个神龙见首不见尾的家伙，虽然令科学家费心劳神，但仍然无人能够抓住它。 这个调皮鬼甚至一度让泡利都陷入悲观，认为它无法被检测。直到26年后，美国物理学家弗雷德里克·莱因斯才利用核反应堆中β衰变时中微子与构成原子核的质子碰撞，间接地证明了它的存在。 因为这个功劳，弗雷德里克·莱因斯与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。 1962年，美国科学家莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格发现了缪中微子，证实不止一种中微子存在，并获1988年的诺贝尔奖；1998年，日本科学家小柴昌俊等人发现了中微子振荡现象，分享了2002年的诺贝尔奖。 中微子振荡的发现，多少打破了其给人既酷又神秘的形象，世界上不少实验室都展开对这种现象的进一步追踪。 然而，不安分的它在2011又给我们投下了一颗重磅炸弹。 欲与光速试比高 2011年9月22日，位于意大利的OPERA（采用乳胶径迹装置的中微子振荡项目）研究小组宣布，实验表明，中微子快于光速。 其实，这个研究小组的初衷仍是研究中微子的振荡现象，这从该小组的名字便可见一斑。 这个设在意大利的实验室为了防止干扰，深入地下1400米，曾以进行过多个标志性的深地实验而闻名。和以往一样，这次实验它仍负责接收来自产生于瑞士与法国边境的中微子。 实验中的中微子产生于欧洲核子研究中心。在这个机构里，科学家们把氢原子的电子除去，便它变成质子，然后被一系列加速器接力加速，进入大型强子对撞机。在经历一系列变化后，衰变了的中微子穿越地层抵达730公里外的意大利，OPERA的探测器可以捕捉中微子的抵达。 然而，经检测，这些粒子到达OPERA传感器的时间比按光速运动的预定时间提前了60.7纳秒。除去误差，中微子每秒能比光速多跑大约7.44公里。也就是说通过计算，中微子的速度是299798454米/秒，比真空中光速的299792458米/秒，要快5996米/秒。 据OPERA主页上的文章介绍，中微子速度是距离除以时间，距离是通过GPS测量，误差是20厘米；而时间则通过GPS和铯原子钟测量，精度为2.3纳秒。 虽然超越光速只是实验副产品，但中微子却给人们出了一道难题，令科学家左右为难，又惊又喜。在仔细考虑了实验中各种因素的影响之后，来自OPERA的研究者决定将其公开，恳请全球同行共同对实验结果进行验证。 然而，第一次试验后，不少参与者拒绝在文章上签字，认为实验的精度存在问题。两个月后，修正后的实验结果再次公布。这回，文章上新增加了9名作者，但同时也减少了4名原作者。 意大利国家核物理研究所所长费尔南多·费罗尼说，根据学界提出的可能影响实验结果的意见，他们利用新方案进行了多达20次的重复实验，所得到结果与先前的发现完全一致。 这不禁让人们想起1987年在对SN1987A超新星进行的研究中，也曾一度得出过“中微子比光跑得快”的结论，只是彼时反响没有如此巨大罢了。 吹皱一池春水 “我打赌他们是错的。”听到这个消息，诺贝尔物理学奖获得者乔治·斯穆特作出了第一反应。他认为光速被打破的实验结果不可信。 同为诺奖获得者、来自欧洲核子研究中心的卡罗·卢比亚则显得比较谨慎，“这是我们第一次这么长距离地传输中微子，有很多新情况发生，很多在目前看来都是异常的。” 一石激起千层浪，“超越光速”使中微子又一次成为科学界和媒体的宠儿。 在OPERA第一次实验结果公布的2个多月间，就至少涌现了不少于140篇的学术论文，讨论这一现象的可能解释，但同时也不乏质疑和反对者。 中科院高能物理研究所研究员曹俊就曾援引诺贝尔奖获得者格拉肖与合作者安德鲁·科恩教授的文章称，在一个比较合理的假定前提下，如果中微子真的超了光速，将会导致辐射损失能量，OPERA的实验也就不会得到现在的能谱。 英国《每日电讯报》则报道，同样来自意大利格兰萨索国家实验室的另一个研究小组独立重复了OPERA实验。研究人员认为，中微子即使只比光快一点点，将会在行进过程中失去大部分能量。然而，实验结果表明，中微子在行进中并无能量损失。 不少科学家认为实验本身的系统误差会导致实验结果出现偏差，例如距离和时钟是测准、校准，或者其他一些效应造成。 德国电子同步加速器研究中心研究人员克里斯蒂安·施皮林面对媒体说：“我非常、非常、非常确信，（实验）测量数据里存在迄今尚未发现的系统性错误。” 科学家们如此谨慎的原因在于，如果光速被超越成为确凿的事实，现代量子物理基石会被打破。一般认为，狭义相对论有两个基础：一个是相对性原理，一个是光速不变原理。“中微子超光速”在实质上可以被认为是破坏了时空对称性（洛伦兹对称性），从而违背狭义相对论。 “如果（中微子）超光速是真的，不光狭义相对论，就连广义相对论也将面临相应的修改。”清华大学高能物理研究中心和工程物理系教授何红建在一次研讨会上说。 史上又一桩公案？ 撇开此次的超光速事件，中微子还曾引起另一桩科学公案——太阳中微子失踪迷案。 上世纪60年代，为了捕捉到来自太阳核聚变中产生的中微子，物理学家戴维斯来到位于美国南达科他州的一个深1500米的矿井中，安置了一个大约长15米，直径达6米的容器，并在里面装满约40万升的无水纯四氯乙烯。 戴维斯和同事就在这里守株待兔，坐等中微子与溶液中氯原子的碰撞，从而对其进行检测。 为了得到大量令人信服的数据，这个实验一做就是25年。利用这套装置，戴维斯和同事们每天能观测到0.5个来自太阳的中微子。 然而，长达25年的数据，却越来越让科学家疑惑：根据对太阳模型的理论计算，中微子的吸收率应该是实验值的3倍左右。那么，剩下的2/3哪里去了？这就是著名的太阳中微子失踪之谜。 在经历了对实验准确性的怀疑之后，物理学家们首先想到的是修改太阳模型，但很快便宣告失败。原来，一旦太阳模型被修改，就与很多其他的观测结果无法对应。 2001年6月，这桩持续30年的公案在加拿大安大略省得到了昭雪：中微子没错，太阳模型也没错。只是，太阳释放出的电子中微子在旅途中有一部分转变成了其他类型的中微子。 原来，这种不同中微子间的转变，正是来源于中微子的振荡。科学家先是发现大气中微子发生了代与代之间的振荡，进而延伸到太阳中微子中。 与今天中微子“超越光速”相比，后者或许还算不上一桩公案。物理大师霍金就认为：“对中微子发表评论还言之过早，必须进行更多实验及澄清工作。” 霍金也许不必过于着急，研究人员早已行动起来。2011年9月30日，美国费米实验室称，将转而研究“超光速”中微子，日本的T2K研究组也可能将重复OPERA的实验。 同时，对于这些实验室的“主业”——测量第三种中微子振荡模式的实验也在紧锣密鼓地进行。而被寄予厚望的中国大亚湾中微子振荡实验，在2012年就将全部投入运行。不知道中微子这个“捣蛋鬼”，还会不会带给我们别样的惊喜。 “超越光速”能否成为另一桩公案，也许很快便有分晓。 |
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科学松鼠会上有。 精确测量速度，需要精确测量路程和时间，即使发现中微子超光速的复杂实验也不例外。 A地：起点，位于欧洲核子中心(CERN)的中微子束源CNGS B地: 终点，731公里外的意大利的Gran Sasso实验室(LNGS)的中微子探测器OPERA 在介绍时间和路程的测量之前，先简单说明一下中微子在A地的产生过程。如下图。从质子源发出的高能质子与石墨发生碰撞，产生介子。介子在10-8秒的时间尺度上衰变为µ子和对应的µ中微子。还有些其他的衰变过程没列在图上，比如1%的电子中微子。中微子几乎不和物质相互作用，所以用阻挡器把强子截留，只容µ子和中微子通过。µ子在后续的µ子探测器被过滤。实验用的中微子平均能量在17GeV，是为了研究µ中微子转化为τ中微子的中微子振荡问题。 为了测量时间，需要对两地的钟做精密的对准：当A地的信号发出后，B地需要知道这个信号发出的时刻（叫它时间零点），并且同时开始计时。这很不容易做到。实验用到高精密的GPS和铯原子钟，并且每一部分电路的响应以及延迟都被严格的考虑进去，使得AB两地零时刻的对准度仅为2纳秒。 实验并不是测量单个质子或单个中微子的信号，而是测量一个脉冲里的信号强度随着时间的关系，即时间结构（其傅立叶变换即能谱），一个脉冲里大约有10的20次幂个粒子。上图中的BCT探测器就起了测量时间结构，校准时间的作用，如下图。由于AB两地的零时刻已经对准，所以只要知道0时刻在A地出发的脉冲，在什么时刻到达B地即可。 在同样的距离远处，粒子如果以真空光速运动，则可以算出到达的时间，见上图中的棕色方波信号。实验的意义就在于，中微子到达时间比光还要早，也就是中微子超过了光速。 实验并没有和光速比较，也就是并未真实测量光速，只是假设了“如果粒子以光速传播”的到达时间，所以两地距离的测量也就格外重要。在一个和光速比较的情形里，实验可以不管两地距离，直接比较光束和粒子束谁用的时间较短。 为 了使得距离测量精确，实验室各个设备间距的总误差在毫米量级；实验使用全球测地参考坐标系统ETRF，精确考虑了地球的3维结构和曲率，并把它与GPS信 号做比较，获得了2cm的空间距离精确度。由于OPERA探测器在地下，做基准时与GPS产生一定误差，使得最终的距离不确定度约为20cm。在这样的设 计下，地壳的运动，潮汐的效应等也被排除。在2009年发生的一场地震，使得两地距离发生了7cm的变化，但是这对于测量精确度影响甚微。最终测量的距 离，从A地的BCT探测器起，到B地的OPERA中微子探测器止，是731278.0±0.2m。 为了保证实验的精确度， 除了减小时间和距离测量的系统误差，还需增加有统计上的置信度，减小统计误差。为此，实验积累了从2009年到2011年三年的数据，选取了16111个 数据点。其中有7586个内秉数据，8525个外在数据。内秉数据由探测器的电路直接读到，可以研究中微子振荡，外在数据需要同时有µ子的探测来佐证判断 数据的可靠性。 就这样，精确测量对准两地时间，测量两地距离，减小统计误差，实验得出了中微子速度v与光速c的关系：(v-c)/c=2.48×10-5,即中微子速度比光速快了每秒钟7.4公里。 备注： 我不是粒子物理专家，仅仅通过阅读实验原文做简要介绍，所以有很多不严谨之处。有些我为了突出重点故意省略，但是有更多的细节的意义我没有提到，也不理解。 |
23楼2012-01-10 12:22:53
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