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21樓2012-01-10 09:18:32

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qingyizeng

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wbcui(金幣+3): 時(shí)間計(jì)算是個(gè)問題，持續(xù)關(guān)注中 2012-01-10 20:50:21

這個(gè)我只是想知道，中微子發(fā)生的時(shí)間和接受的時(shí)間是如何計(jì)算，兩地之間如何達(dá)到此種等時(shí)？ ---------外行，莫笑

。不過這么精密的實(shí)驗(yàn)，相信肯定能做到！可是俺就是想知道！

22樓2012-01-10 09:36:50

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cengjing001

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wbcui(金幣+10): 多謝介紹，置頂了 2012-01-10 20:51:10
wbcui: 回帖置頂 2012-01-10 20:51:12

引用回帖:

22樓: Originally posted by qingyizeng at 2012-01-10 09:36:50:
這個(gè)我只是想知道，中微子發(fā)生的時(shí)間和接受的時(shí)間是如何計(jì)算，兩地之間如何達(dá)到此種等時(shí)？ ---------外行，莫笑

。不過這么精密的實(shí)驗(yàn)，相信肯定能做到！可是俺就是想知道！

科學(xué)松鼠會(huì)上有。
精確測(cè)量速度，需要精確測(cè)量路程和時(shí)間，即使發(fā)現(xiàn)中微子超光速的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)也不例外。

A地：起點(diǎn)，位于歐洲核子中心(CERN)的中微子束源CNGS
B地: 終點(diǎn)，731公里外的意大利的Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室(LNGS)的中微子探測(cè)器OPERA

在介紹時(shí)間和路程的測(cè)量之前，先簡(jiǎn)單說明一下中微子在A地的產(chǎn)生過程。如下圖。從質(zhì)子源發(fā)出的高能質(zhì)子與石墨發(fā)生碰撞，產(chǎn)生介子。介子在10-8秒的時(shí)間尺度上衰變?yōu)?micro;子和對(duì)應(yīng)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(zhì)相互作用，所以用阻擋器把強(qiáng)子截留，只容µ子和中微子通過。µ子在后續(xù)的µ子探測(cè)器被過濾。實(shí)驗(yàn)用的中微子平均能量在17GeV，是為了研究µ中微子轉(zhuǎn)化為τ中微子的中微子振蕩問題。

為了測(cè)量時(shí)間，需要對(duì)兩地的鐘做精密的對(duì)準(zhǔn)：當(dāng)A地的信號(hào)發(fā)出后，B地需要知道這個(gè)信號(hào)發(fā)出的時(shí)刻（叫它時(shí)間零點(diǎn)），并且同時(shí)開始計(jì)時(shí)。這很不容易做到。實(shí)驗(yàn)用到高精密的GPS和銫原子鐘，并且每一部分電路的響應(yīng)以及延遲都被嚴(yán)格的考慮進(jìn)去，使得AB兩地零時(shí)刻的對(duì)準(zhǔn)度僅為2納秒。

實(shí)驗(yàn)并不是測(cè)量單個(gè)質(zhì)子或單個(gè)中微子的信號(hào)，而是測(cè)量一個(gè)脈沖里的信號(hào)強(qiáng)度隨著時(shí)間的關(guān)系，即時(shí)間結(jié)構(gòu)（其傅立葉變換即能譜），一個(gè)脈沖里大約有10的20次冪個(gè)粒子。上圖中的BCT探測(cè)器就起了測(cè)量時(shí)間結(jié)構(gòu)，校準(zhǔn)時(shí)間的作用，如下圖。由于AB兩地的零時(shí)刻已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)，所以只要知道0時(shí)刻在A地出發(fā)的脈沖，在什么時(shí)刻到達(dá)B地即可。

在同樣的距離遠(yuǎn)處，粒子如果以真空光速運(yùn)動(dòng)，則可以算出到達(dá)的時(shí)間，見上圖中的棕色方波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)的意義就在于，中微子到達(dá)時(shí)間比光還要早，也就是中微子超過了光速。

實(shí)驗(yàn)并沒有和光速比較，也就是并未真實(shí)測(cè)量光速，只是假設(shè)了“如果粒子以光速傳播”的到達(dá)時(shí)間，所以兩地距離的測(cè)量也就格外重要。在一個(gè)和光速比較的情形里，實(shí)驗(yàn)可以不管兩地距離，直接比較光束和粒子束誰(shuí)用的時(shí)間較短。
為了使得距離測(cè)量精確，實(shí)驗(yàn)室各個(gè)設(shè)備間距的總誤差在毫米量級(jí)；實(shí)驗(yàn)使用全球測(cè)地參考坐標(biāo)系統(tǒng)ETRF，精確考慮了地球的3維結(jié)構(gòu)和曲率，并把它與GPS信號(hào)做比較，獲得了2cm的空間距離精確度。由于OPERA探測(cè)器在地下，做基準(zhǔn)時(shí)與GPS產(chǎn)生一定誤差，使得最終的距離不確定度約為20cm。在這樣的設(shè) 計(jì)下，地殼的運(yùn)動(dòng)，潮汐的效應(yīng)等也被排除。在2009年發(fā)生的一場(chǎng)地震，使得兩地距離發(fā)生了7cm的變化，但是這對(duì)于測(cè)量精確度影響甚微。最終測(cè)量的距離，從A地的BCT探測(cè)器起，到B地的OPERA中微子探測(cè)器止，是731278.0±0.2m。

為了保證實(shí)驗(yàn)的精確度，除了減小時(shí)間和距離測(cè)量的系統(tǒng)誤差，還需增加有統(tǒng)計(jì)上的置信度，減小統(tǒng)計(jì)誤差。為此，實(shí)驗(yàn)積累了從2009年到2011年三年的數(shù)據(jù)，選取了16111個(gè) 數(shù)據(jù)點(diǎn)。其中有7586個(gè)內(nèi)秉數(shù)據(jù)，8525個(gè)外在數(shù)據(jù)。內(nèi)秉數(shù)據(jù)由探測(cè)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(shí)有µ子的探測(cè)來佐證判斷數(shù)據(jù)的可靠性。

就這樣，精確測(cè)量對(duì)準(zhǔn)兩地時(shí)間，測(cè)量?jī)傻鼐嚯x，減小統(tǒng)計(jì)誤差，實(shí)驗(yàn)得出了中微子速度v與光速c的關(guān)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(shí)驗(yàn)原文做簡(jiǎn)要介紹，所以有很多不嚴(yán)謹(jǐn)之處。有些我為了突出重點(diǎn)故意省略，但是有更多的細(xì)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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btx362237729

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物理學(xué)發(fā)展得真快啊

人生最黑暗的時(shí)光終于過去了

24樓2012-01-10 13:15:38

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Cherimoya

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wbcui(金幣+5): 提得問題挺專業(yè)�。� 2012-01-10 20:51:49

這個(gè)，可能有物質(zhì)的質(zhì)量為0么~
話說不是靜止是相對(duì)的啊~其實(shí)也是在運(yùn)動(dòng)~這個(gè)也不受引力的影響么~
其實(shí)我物理不好的說
不過我覺得這種微小的物質(zhì)，如果脫離它的大分子的束縛，都會(huì)受到引力或是磁場(chǎng)的作用運(yùn)動(dòng)的吧~~

25樓2012-01-10 13:16:47

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qingyizeng

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引用回帖:

23樓: Originally posted by cengjing001 at 2012-01-10 12:22:53:
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A地：起點(diǎn)，位于歐洲核子中心(CERN)的中微子束源CNGS
B地: 終點(diǎn)，731公里外的意大利的Gran Sasso實(shí)驗(yàn) ...

謝謝！確實(shí)很復(fù)雜！好久沒學(xué)了，也沒精力去仔細(xì)理解。

26樓2012-01-10 16:57:43

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wbcui(金幣+10): 這個(gè)，其實(shí)還挺復(fù)雜的，呵呵 2012-01-11 20:12:48

引用回帖:

http://songshuhui.net/forum/viewthread.php?tid=538780

27樓2012-01-11 11:08:57

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csman

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28樓2012-01-11 13:07:33

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linxi_mengg

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好玄乎哦O(∩_∩)O~

29樓2012-01-11 14:35:14

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