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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 材料綜合 » 科研生活 » 中微子真的是超光速么？
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wbcui至尊木蟲 (知名作家)
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中微子真的是超光速么？ 已有45人參與
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中國科學報：中微子公案 加拿大薩德伯里中微子天文臺 這些“我行我素”的中微子，在人類逐漸認識它的歷史中，曾制造了不少公案。而人類也似乎對它特別垂青，在電影《2012》中，它甚至被人類假想成世界的“毀滅者”。 ■本報記者 吳昊 自從被發(fā)現(xiàn)至今，中微子一直“不安分”。2011年，它著實又火了一把，燒得讓許多人既興奮又緊張。 在這場與光速的賽跑中，中微子以微弱的優(yōu)勢“贏”了。盡管它并沒有和光速“同臺競技”，盡管大多數(shù)科學家都持質疑態(tài)度。 “然而，中微子速度如果真的超過光速，那么該如何將這些淘氣的微粒納入物理學？”新年伊始，英國《新科學家》雜志在展望2012年時，把對它的期待放在首位。 這些淘氣的微粒子，在被人類逐漸認識的歷史中，就曾制造了不少公案。而人類也似乎對它有特別的垂青，在電影《2012》中，它甚至被人類假想成世界的“毀滅者”。 神龍見首不見尾 它叫中微子，英文名Neutrino。它與宇宙同齡，是物質世界最基本的粒子之一；它無所不在，任何物質都有它一份；它靜止質量幾乎為零，還不帶電荷；它性情孤僻，從不與一般物質打交道；它跑得和光不相上下，穿透力極強，甚至可以輕而易舉穿過地球。 如果告訴你，每一秒鐘就有50萬億個中微子穿過你的身體，你可千萬別被數(shù)字嚇倒，要知道，太陽中心的熱核反應每秒鐘會生產約2×1030個中微子；你同樣也別擔心，它雖然可以自由進出你的身體，卻不會帶來任何危害。 我們的身體和大部分宏觀物體一樣由分子組成，而分子由原子構成，原子中又有原子核和電子，原子核再細分，包含了質子中子，質子和中子的基本單位是夸克。 夸克是強子，參與已知的所有相互作用——強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。同樣是構成物質世界最基本的粒子，電子的地位略低一些，不參加強相互作用；而和電子一道被稱為輕子的中微子，更“微不足道”，質量只有電子的百萬分之一，只參加弱相互作用和引力作用。 正因為中微子極其微小，又不與其它物質反應，它的發(fā)現(xiàn)可是頗費周章。 上世紀20年代末，科學家觀測到，物質在β衰變過程中，電子只帶走了一部分能量，還有一部分能量失蹤了。 1930年，奧地利物理學家泡利提出了一個假說，認為這部分能量被一種不被人們認知的粒子帶走了，這種粒子靜止質量為零、電中性，與物質的相互作用極弱，以至儀器都很難探測得到。 1932年，它被意大利物理學家費米正式命名為“中微子”。然而，這個神龍見首不見尾的家伙，雖然令科學家費心勞神，但仍然無人能夠抓住它。 這個調皮鬼甚至一度讓泡利都陷入悲觀，認為它無法被檢測。直到26年后，美國物理學家弗雷德里克·萊因斯才利用核反應堆中β衰變時中微子與構成原子核的質子碰撞，間接地證明了它的存在。 因為這個功勞，弗雷德里克·萊因斯與發(fā)現(xiàn)輕子的美國物理學家馬丁·珀爾分享了1995年諾貝爾物理學獎。 1962年，美國科學家萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格發(fā)現(xiàn)了繆中微子，證實不止一種中微子存在，并獲1988年的諾貝爾獎；1998年，日本科學家小柴昌俊等人發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，分享了2002年的諾貝爾獎。 中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，多少打破了其給人既酷又神秘的形象，世界上不少實驗室都展開對這種現(xiàn)象的進一步追蹤。 然而，不安分的它在2011又給我們投下了一顆重磅炸彈。 欲與光速試比高 2011年9月22日，位于意大利的OPERA（采用乳膠徑跡裝置的中微子振蕩項目）研究小組宣布，實驗表明，中微子快于光速。 其實，這個研究小組的初衷仍是研究中微子的振蕩現(xiàn)象，這從該小組的名字便可見一斑。 這個設在意大利的實驗室為了防止干擾，深入地下1400米，曾以進行過多個標志性的深地實驗而聞名。和以往一樣，這次實驗它仍負責接收來自產生于瑞士與法國邊境的中微子。 實驗中的中微子產生于歐洲核子研究中心。在這個機構里，科學家們把氫原子的電子除去，便它變成質子，然后被一系列加速器接力加速，進入大型強子對撞機。在經歷一系列變化后，衰變了的中微子穿越地層抵達730公里外的意大利，OPERA的探測器可以捕捉中微子的抵達。 然而，經檢測，這些粒子到達OPERA傳感器的時間比按光速運動的預定時間提前了60.7納秒。除去誤差，中微子每秒能比光速多跑大約7.44公里。也就是說通過計算，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。 據(jù)OPERA主頁上的文章介紹，中微子速度是距離除以時間，距離是通過GPS測量，誤差是20厘米；而時間則通過GPS和銫原子鐘測量，精度為2.3納秒。 雖然超越光速只是實驗副產品，但中微子卻給人們出了一道難題，令科學家左右為難，又驚又喜。在仔細考慮了實驗中各種因素的影響之后，來自OPERA的研究者決定將其公開，懇請全球同行共同對實驗結果進行驗證。 然而，第一次試驗后，不少參與者拒絕在文章上簽字，認為實驗的精度存在問題。兩個月后，修正后的實驗結果再次公布。這回，文章上新增加了9名作者，但同時也減少了4名原作者。 意大利國家核物理研究所所長費爾南多·費羅尼說，根據(jù)學界提出的可能影響實驗結果的意見，他們利用新方案進行了多達20次的重復實驗，所得到結果與先前的發(fā)現(xiàn)完全一致。 這不禁讓人們想起1987年在對SN1987A超新星進行的研究中，也曾一度得出過“中微子比光跑得快”的結論，只是彼時反響沒有如此巨大罷了。 吹皺一池春水 “我打賭他們是錯的�！甭牭竭@個消息，諾貝爾物理學獎獲得者喬治·斯穆特作出了第一反應。他認為光速被打破的實驗結果不可信。 同為諾獎獲得者、來自歐洲核子研究中心的卡羅·盧比亞則顯得比較謹慎，“這是我們第一次這么長距離地傳輸中微子，有很多新情況發(fā)生，很多在目前看來都是異常的。” 一石激起千層浪，“超越光速”使中微子又一次成為科學界和媒體的寵兒。 在OPERA第一次實驗結果公布的2個多月間，就至少涌現(xiàn)了不少于140篇的學術論文，討論這一現(xiàn)象的可能解釋，但同時也不乏質疑和反對者。 中科院高能物理研究所研究員曹俊就曾援引諾貝爾獎獲得者格拉肖與合作者安德魯·科恩教授的文章稱，在一個比較合理的假定前提下，如果中微子真的超了光速，將會導致輻射損失能量，OPERA的實驗也就不會得到現(xiàn)在的能譜。 英國《每日電訊報》則報道，同樣來自意大利格蘭薩索國家實驗室的另一個研究小組獨立重復了OPERA實驗。研究人員認為，中微子即使只比光快一點點，將會在行進過程中失去大部分能量。然而，實驗結果表明，中微子在行進中并無能量損失。 不少科學家認為實驗本身的系統(tǒng)誤差會導致實驗結果出現(xiàn)偏差，例如距離和時鐘是測準、校準，或者其他一些效應造成。 德國電子同步加速器研究中心研究人員克里斯蒂安·施皮林面對媒體說：“我非常、非常、非常確信，（實驗）測量數(shù)據(jù)里存在迄今尚未發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)性錯誤�！� 科學家們如此謹慎的原因在于，如果光速被超越成為確鑿的事實，現(xiàn)代量子物理基石會被打破。一般認為，狹義相對論有兩個基礎：一個是相對性原理，一個是光速不變原理。“中微子超光速”在實質上可以被認為是破壞了時空對稱性（洛倫茲對稱性），從而違背狹義相對論。 “如果（中微子）超光速是真的，不光狹義相對論，就連廣義相對論也將面臨相應的修改。”清華大學高能物理研究中心和工程物理系教授何紅建在一次研討會上說。 史上又一樁公案？ 撇開此次的超光速事件，中微子還曾引起另一樁科學公案——太陽中微子失蹤迷案。 上世紀60年代，為了捕捉到來自太陽核聚變中產生的中微子，物理學家戴維斯來到位于美國南達科他州的一個深1500米的礦井中，安置了一個大約長15米，直徑達6米的容器，并在里面裝滿約40萬升的無水純四氯乙烯。 戴維斯和同事就在這里守株待兔，坐等中微子與溶液中氯原子的碰撞，從而對其進行檢測。 為了得到大量令人信服的數(shù)據(jù)，這個實驗一做就是25年。利用這套裝置，戴維斯和同事們每天能觀測到0.5個來自太陽的中微子。 然而，長達25年的數(shù)據(jù)，卻越來越讓科學家疑惑：根據(jù)對太陽模型的理論計算，中微子的吸收率應該是實驗值的3倍左右。那么，剩下的2/3哪里去了？這就是著名的太陽中微子失蹤之謎。 在經歷了對實驗準確性的懷疑之后，物理學家們首先想到的是修改太陽模型，但很快便宣告失敗。原來，一旦太陽模型被修改，就與很多其他的觀測結果無法對應。 2001年6月，這樁持續(xù)30年的公案在加拿大安大略省得到了昭雪：中微子沒錯，太陽模型也沒錯。只是，太陽釋放出的電子中微子在旅途中有一部分轉變成了其他類型的中微子。 原來，這種不同中微子間的轉變，正是來源于中微子的振蕩�？茖W家先是發(fā)現(xiàn)大氣中微子發(fā)生了代與代之間的振蕩，進而延伸到太陽中微子中。 與今天中微子“超越光速”相比，后者或許還算不上一樁公案。物理大師霍金就認為：“對中微子發(fā)表評論還言之過早，必須進行更多實驗及澄清工作。” 霍金也許不必過于著急，研究人員早已行動起來。2011年9月30日，美國費米實驗室稱，將轉而研究“超光速”中微子，日本的T2K研究組也可能將重復OPERA的實驗。 同時，對于這些實驗室的“主業(yè)”——測量第三種中微子振蕩模式的實驗也在緊鑼密鼓地進行。而被寄予厚望的中國大亞灣中微子振蕩實驗，在2012年就將全部投入運行。不知道中微子這個“搗蛋鬼”，還會不會帶給我們別樣的驚喜。 “超越光速”能否成為另一樁公案，也許很快便有分曉。 |
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科學松鼠會上有。 精確測量速度，需要精確測量路程和時間，即使發(fā)現(xiàn)中微子超光速的復雜實驗也不例外。 A地：起點，位于歐洲核子中心(CERN)的中微子束源CNGS B地: 終點，731公里外的意大利的Gran Sasso實驗室(LNGS)的中微子探測器OPERA 在介紹時間和路程的測量之前，先簡單說明一下中微子在A地的產生過程。如下圖。從質子源發(fā)出的高能質子與石墨發(fā)生碰撞，產生介子。介子在10-8秒的時間尺度上衰變?yōu)?micro;子和對應的µ中微子。還有些其他的衰變過程沒列在圖上，比如1%的電子中微子。中微子幾乎不和物質相互作用，所以用阻擋器把強子截留，只容µ子和中微子通過。µ子在后續(xù)的µ子探測器被過濾。實驗用的中微子平均能量在17GeV，是為了研究µ中微子轉化為τ中微子的中微子振蕩問題。 為了測量時間，需要對兩地的鐘做精密的對準：當A地的信號發(fā)出后，B地需要知道這個信號發(fā)出的時刻（叫它時間零點），并且同時開始計時。這很不容易做到。實驗用到高精密的GPS和銫原子鐘，并且每一部分電路的響應以及延遲都被嚴格的考慮進去，使得AB兩地零時刻的對準度僅為2納秒。 實驗并不是測量單個質子或單個中微子的信號，而是測量一個脈沖里的信號強度隨著時間的關系，即時間結構（其傅立葉變換即能譜），一個脈沖里大約有10的20次冪個粒子。上圖中的BCT探測器就起了測量時間結構，校準時間的作用，如下圖。由于AB兩地的零時刻已經對準，所以只要知道0時刻在A地出發(fā)的脈沖，在什么時刻到達B地即可。 在同樣的距離遠處，粒子如果以真空光速運動，則可以算出到達的時間，見上圖中的棕色方波信號。實驗的意義就在于，中微子到達時間比光還要早，也就是中微子超過了光速。 實驗并沒有和光速比較，也就是并未真實測量光速，只是假設了“如果粒子以光速傳播”的到達時間，所以兩地距離的測量也就格外重要。在一個和光速比較的情形里，實驗可以不管兩地距離，直接比較光束和粒子束誰用的時間較短。 為 了使得距離測量精確，實驗室各個設備間距的總誤差在毫米量級；實驗使用全球測地參考坐標系統(tǒng)ETRF，精確考慮了地球的3維結構和曲率，并把它與GPS信 號做比較，獲得了2cm的空間距離精確度。由于OPERA探測器在地下，做基準時與GPS產生一定誤差，使得最終的距離不確定度約為20cm。在這樣的設 計下，地殼的運動，潮汐的效應等也被排除。在2009年發(fā)生的一場地震，使得兩地距離發(fā)生了7cm的變化，但是這對于測量精確度影響甚微。最終測量的距 離，從A地的BCT探測器起，到B地的OPERA中微子探測器止，是731278.0±0.2m。 為了保證實驗的精確度， 除了減小時間和距離測量的系統(tǒng)誤差，還需增加有統(tǒng)計上的置信度，減小統(tǒng)計誤差。為此，實驗積累了從2009年到2011年三年的數(shù)據(jù)，選取了16111個 數(shù)據(jù)點。其中有7586個內秉數(shù)據(jù)，8525個外在數(shù)據(jù)。內秉數(shù)據(jù)由探測器的電路直接讀到，可以研究中微子振蕩，外在數(shù)據(jù)需要同時有µ子的探測來佐證判斷 數(shù)據(jù)的可靠性。 就這樣，精確測量對準兩地時間，測量兩地距離，減小統(tǒng)計誤差，實驗得出了中微子速度v與光速c的關系：(v-c)/c=2.48×10-5,即中微子速度比光速快了每秒鐘7.4公里。 備注： 我不是粒子物理專家，僅僅通過閱讀實驗原文做簡要介紹，所以有很多不嚴謹之處。有些我為了突出重點故意省略，但是有更多的細節(jié)的意義我沒有提到，也不理解。 |
23樓2012-01-10 12:22:53
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