中微子

中微子

中微子又譯作微中子,是輕子的一種,是組成自然界的最基本的粒子之一,常用符號ν表示。中微子不帶電,自旋為1/2,質量非常輕(小于電子的百萬分之一),以接近光速運動。

中微子個頭小,不帶電,可自由穿過地球,與其他物質的相互作用十分微弱,號稱宇宙間的"隱身人"。科學界從預言它的存在到發現它,用了20多年的時間。

2013年11月23日,科學家首次捕捉高能中微子,被稱為宇宙"隱身人"。他們利用埋在南極冰下的粒子探測器,首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。

  • 中文名稱
    中微子
  • 外文名稱
    neutrino
  • 別名
    微中子
  • 類型
    輕子
  • 自旋
    1/2
  • 符號
    v

基本簡介

發現歷程

中微子

粒子物理的研究結果表明,構成物質世界的最基本的粒子有12種,包括了6種誇克(上、下、奇、粲、底、頂,每種誇克有三種色,還有以上所述誇克的反誇子,μ中微子和τ中微子)而每一種中微子都有與其相對應的反物質。中微子是1930年奧地利物理學家泡利為了解釋β衰變中能量似乎不守恆而提出的,1933年正式命名為中微子,1956年才被觀測到。 克),3種帶電輕子(電子、μ子和τ子)和3種中微子

中微子

中微子是一種基本粒子,不帶電,質量極小,幾乎不與其他物質作用,在自然界廣泛存在。太陽內部核反應產生大量中微子,每秒鍾通過我們眼睛的中微子數以十億計。

中微子的觀測

中微子隻參與非常微弱的弱相互作用,具有最強的穿透力,能穿越地球直徑那麽厚的物質。在100億個中微子中隻有一個會與物質發生反應,因此中微子的檢測非常困難。正因為如此,在所有的基本粒子,人們對中微子了解最晚,也最少。實際上,大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生,例如核反應堆發電(核裂變)、太陽發光(核聚變)、天然放射性(貝塔衰變)、超新星爆發、宇宙射線等等。宇宙中充斥著大量的中微子,大部分為宇宙大霹靂的殘留,大約為每立方釐米100個。1998年,日本超神岡(Super-Kamiokande)實驗以確鑿的證據發現了中微子振蕩現象,即一種中微子能夠轉換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質量。此後,這一結果得到了許多實驗的證實。中微子振蕩尚未完全研究清楚,它不僅在微觀世界最基本的規律中起著重要作用,而且與宇宙的起源與演化有關,例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成。

中微子

由于探測技術的提高,人們可以觀測到來自天體的中微子,導致了一種新的天文觀測手段的產生。美國正在南極洲冰層中建造一個立方公裏大的中微子天文望遠鏡——冰立方。法國、義大利俄羅斯也分別在地中海和貝加爾湖中建造中微子天文望遠鏡。KamLAND觀測到了來自地心的中微子,可以用來研究地球構造。

中微子

術語定義

名稱

英文名稱:neutrino

中微子個頭小,不帶電,可自由穿過地球,幾乎不與任何物質發生作用,號稱宇宙間的“隱身人”。科學家觀測它頗費周折,從預言它的存在到發現它,用了10多年的時間。

中微子

泡利預言

要說中微子,就不得不提它的“老大哥”——原子基本組成之一的中子。中子在衰變成質子和電子(β衰變)時,能量會出現虧損。物理學上著名的哥本哈根學派鼻祖尼爾斯·玻爾據此認為,β衰變過程中能量守恆定律失效。

1931年春,國際核物理會議在羅馬召開,當時世界最頂尖的核物理學家匯聚一堂,其中有海森堡、泡利、居裏夫人等。泡利在會上提出,β衰變過程中能量守恆定律仍然是正確的,能量虧損的原因是因為中子作為一種大質量的中性粒子在衰變過程中變成了質子、電子和一種質量小的中性粒子,正是這種小質量粒子將能量帶走了。泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。

主要性質

粒子間的各種弱相互作用會產生中微子,而弱相互作用速度緩慢正是造就了恆星體內“質子-質子”反應的主要障礙,這也解釋了為什麽中微子能輕易的穿過普通物質而不發生反應。太陽體內有弱相互作用參與的核反應每秒會產生10的38次方個中微子,暢通無阻的從太陽流向太空。每秒鍾會有1000萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體,甚至在夜晚,太陽位于地球另一邊時也一樣。

探測

由于中微子與其他物質的相互作用極小,中微子的探測器必須夠大,以求能觀測到足夠數量的中微子。為了禁止宇宙射線及其他可能的背景幹擾,中微子的探測儀器時常設立在地底下。

速度

在“中微子震蕩”這個概念出現以前,根據狹義相對論而建立的中微子標準模型,中微子的質量應為零,並應該以光速行進。然而,近年的研究似乎開始對“中微子的質量是零”這個假設開始動搖,亦因此開始有人質疑中微子是否能夠以光速行進。

科學家首次對中微子的速度進行偵測在1980年代早期,當時科學家透過從脈沖質子束射擊而產生的脈沖π介子束來測量中微子的速度。當帶電的π介子衰變,就會產生渺子及中微子或電子中微子。透過檢測中微子出現的時間,就可測量出中微子的速度。結果顯示中微子的速度是光速與假設相符。後來當這個實驗在其他地方重復時,測量中微子的方法改用了MINOS偵測器,測出了一顆能量為3 GeV的中微子的速度達1.000051(29) c。由于這個速度的中間值比光速還要快,科學家當時認為實驗的不確定性太大,而實際上中微子的速度應該不可能超過光速。這個實驗設定了50 MeV的渺中微子的質量上限,可靠率為99%。

超新星SN 1987A同樣的觀測不單在地球上發現,當天文學家觀測超新星SN 1987A的中微子爆發時,世界各地有三台中微子偵測器各自探測到5到11個中微子。有趣的是:這些偵測器是在SN 1987A爆發的光線來到地球之前3小時偵測到的。對于這個現像,當時科學家把它解說為因為“中微子于超新星爆發時比可見光更早被發射出來,而不是中微子比光速快”,而這個速度亦與光速接近。然而,對于擁有更高能量的中微子是否仍然符合標準模型擴展仍然有爭議,當中微子違反了洛倫茲不變性而發生震蕩,其速度有可能會比光速還要快。2011年9月,義大利格蘭薩索國家實驗室旗下的OPERA實驗室宣布觀測結果,並刊登于英國《自然》雜志。研究人員發現,中微子的移動速度比光速還快。根據這項對渺中微子的研究,發現當平均能級達到17 GeV的渺中微子從CERN走到LNGS,所需的時間比光子在真空移動的速度還要快 60.7 納秒,即以光速的 1.0000248 倍運行,是實驗的標準差10納秒的六倍,“比光速快6公裏”,證實了這個〔假設。

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研究範圍

獲得來自恆星內部的信息

中微子天文學是天體物理的一個分支,主要研究恆星上可能發生的中微子過程以及這些過程對恆星的結構和演化的作用。中微子是不帶電的靜止質量為零或很小的基本粒子。它和一般物質的相互作用非常弱,除特殊情況外,在恆星內部產生的中微子能夠不受阻礙地跑出恆星表面,因此探測來自恆星內部的中微子可以獲得有關其內部的信息。最早的研究集中在太陽。太陽的能源主要來自內部的質子-質子反應,因而會產生大量的中微子。美國布魯克海文實驗室的戴維斯等人用大體積四氯化碳作靶,利用37Cl俘獲中微子的反應來探測太陽的中微子發射率。實測的結果遠遠小于恆星演化理論的太陽標準模型的預期值,這就是著名的中微子失蹤案。近年來人們發現原來使用的恆星大氣中元素的不透明度太小,改進後已有所改善。進一步認真研究改進了太陽內部結構,從而大大地緩和了這個矛盾。另一個可能是中微子有很小的靜質量。果如此則可以解釋宇宙中的質量短缺問題。

中微子 中微子

更多方面

中微子還大量地產生于超新星爆發時和宇宙中其它物理過程中。在日本的一個礦井和美國的俄亥俄用一個巨大的水容器來探測切連可夫輻射,從而探測到了來自超新星SN 1987A的中微子輻射。歐洲共同體的GALLEX和俄國的一個裝置利用中微子和鎵的相互作用來探測中微子。

研究歷史

中微子的發現

要追溯中微子發現的經過,還要從19世紀末20世紀初對放射性的研究談起。科學家們發現,在量子世界中,能量的吸收和發射是不連續的。不僅原子的光譜是不連續的,而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續的。這是由于原子核在不同能級間躍遷時釋放的,是符合量子世界的規律的。奇怪的是,物質在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續的,而且電子隻帶走了它應該帶走的能量的一部分,還有一部分能量失蹤了。

中微子

1930年,奧地利物理學家泡利提出了一個假說,認為在β衰變過程中,除了電子之外,同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去,帶走了另一部分能量,因此出現了能量虧損。這種粒子與物質的相互作用極弱,以至儀器很難探測得到。未知粒子、電子和反沖核的能量總和是一個確定值,能量守恆仍然成立,隻是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。當時泡利將這種粒子命名為“中子”,最初他以為這種粒子原來就存在于原子核中。但在1931年,泡利在美國物理學會的一場討論會中提出,這種粒子不是原來就存在于原子核中,而是衰變產生的。1932年真正的中子被發現後,義大利物理學家費米將泡利的“中子”正名為“中微子”。

1933年,義大利物理學家費米提出了β衰變的定量理論,指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外,還有第三種相互作用—弱相互作用。β衰變就是核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子。他的理論定量地描述了β射線能譜連續和β衰變半衰期的規律,β能譜連續之謎終于解開了。

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證實中微子

泡利的中微子假說和費米的β衰變理論雖然逐漸被人們接受,但終究還蒙上了一層迷霧:誰也沒有見到中微子。就連泡利本人也曾說過,中微子是永遠測不到的。在泡利提出中微子假說的時候,我國物理學家王淦昌正在德國柏林大學讀研究生,直到回國,他還一直關心著β衰變和檢驗中微子的實驗。1941年,王淦昌寫了一篇題為《關于探測中微子的一個建議》的文章,發表在次年美國的《物理評論》雜志上。1942年6月,該刊發表了美國物理學家艾倫根據王淦昌方案作的實驗結果,證實了中微子的存在,這是這一年中世界物理學界的一件大事。但當時的實驗不是非常成功,直到1952年,艾倫與羅德巴克合作,才第一次成功地完成了實驗,同一年,戴維斯也實現了王淦昌的建議,並最終證證明中微子不是幾個而是一個。

在電子俘獲試驗證實了中微子的存在以後,進一步的工作就是測量中微子與質子相互作用引起的反應,直接探測中微子。由于中微子與物質相互作用極弱,這種實驗是非常困難的。直到1956年,這項試驗才由美國物理學家弗雷德裏克·萊因斯完成。首先實驗需要一個強中微子源,核反應堆就是合適的源。這是由于核燃料吸收中子後會發生裂變,分裂成碎片時又放出中子,從而使其再次裂變。裂變碎片大多是β放射性的,反應堆中有大量裂變碎片,因此它不僅是強大的中子源,也是一個強大的中微子源。因為中微子反應幾率很小,要求用大量的靶核,萊因斯選用氫核(質子)作靶核,使用了兩個裝有氯化鎘溶液的容器,夾在三個液體閃爍計數器中。這種閃爍液體是是一種在射線下能發出熒光的液體,每來一個射線就發出一次熒光。由于中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的明顯的頻閃很有特異性,從而證實了中微子的存在。為此,他與發現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

在泡利提出中微子假說以後,經過26年,人們才第一次捕捉到了中微子,也打破了泡利本人認為中微子永遠觀測不到的悲觀觀點。

中微子是哪一味

每一種中微子都會釋放對應的粒子——電子中微子釋放電子,μ中微子釋放μ子,同理,τ(希臘字母“陶”)中微子釋放τ子。它們的發光模式會泄露天機,讓科學家辨別出中微子的“味”,可信度達到25%。

電子中微子

電子與原子相互作用,將能量一下子釋放出來,會照亮一個接近球形的區域。

μ中微子

μ子不像電子那樣擅長相互作用,它會在冰中穿行至少1千米,產生一個光錐。

τ中微子

τ子會迅速衰變,它的出現和消失會產生兩個光球,被稱為“雙爆”。

對中微子的研究

為了研究中微子的性質,各國建造了大量探測設施,比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測裝置、義大利的“巨觀”、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測設施以及美國在南極地區建造的中微子觀測裝置。

1994年,美國威斯康星大學和加利福尼亞大學的科學家在南極冰原以下800米深處安裝輻射探測器,以觀測來自宇宙射線中的中微子。使用南極冰原作為探測器的安置場所,是因為冰不產生自然輻射,不會對探測效果產生影響。此外,把探測器埋到深處,是為了過濾掉宇宙中除了中微子之外的其他輻射。

宇宙中微子的產生有幾種方式。一種是原生的,在宇宙大霹靂產生,現在為溫度很低的宇宙背景中微子。第二種是超新星爆發巨型天體活動中,在引力坍縮過程中,由質子和電子合並成中子過程中產生出來的,SN1987A中微子就是這一類。第三種是在太陽這一類恆星上,通過輕核反應產生的十幾MeV以下的中微子,目前還無法搞清楚的太陽中微子就是其中之一。第四種是高能宇宙線粒子射到大氣層,與其中的原子核發生核反應,產生π、K介子,這些介子再衰變成中微子,這種中微子叫“大氣層中微子”。五是宇宙線高能持子與宇宙微波背景輻射的光子碰撞產生π介子,這個過程叫“光致π”, π介子衰變產生高能中微子,這種中微子能量極高。第六種是宇宙線高能質子打在星體雲或星際介質的原子核上產生核反應生成的介子衰變為中微子,特別在一些中子星、脈沖星等星體上可以產生這種中微子。第七種是地球上的物質自發或誘發裂變產物β衰變產生的中微子,這類中微子是很少的。

泡利提出中微子假說時,還不知道中微子有沒有質量,隻知道即使有質量也是很小的,因為電子的最大能量與衰變時放出的總能量很接近,此時中微子帶走的能量就是它的靜止能量,隻能是很小的。1998年6月,日大學部學家宣布他們的超級神岡中微子探測裝置掌握了足夠的實驗證據說明中微子具有靜止質量,這一發現引起廣泛關註。來自24個國家的350多名高能物理學家雲集日本中部岐阜縣的小鎮神岡町,希望親眼目睹實驗過程。美國哈佛大學理論物理學家謝爾登·格拉休指出:“這是最近幾十年來粒子物理領域最重要的發現之一。”

超級神岡探測器主要用來研究太陽中微子。太陽是地球上所有生命的源泉,也是地球表面最主要的能量來源。事實 上,到達地球太陽光熱輻射總功率大約是170萬億千瓦,隻佔太陽總輻射量的22億分之一。愛因斯坦相對論的質能關系式使人們了解了核能,而太陽正是靠著核反應才可以長期輻射出巨大能量,這就是太陽能源的來源。在太陽上質子聚變和其他一些輕核反應的過程中不僅釋放出能量,而且發射出中微子。人們利用電子學方法或者放射化學的方法探測中微子。1968年,戴維斯發現探測到的太陽中微子比標準太陽模型的計算值少得多。科學還無法解釋太陽中微子的失蹤之謎,也許是因為中微子還有許多我們不了解的性質。

這個探測裝置由來自日本和美國的約120名研究人員共同維護。他們在神岡町地下一公裏深處廢棄的鋅礦坑中設定了一個巨大水池,裝有5萬噸水,周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。當中微子通過這個水槽時,由于水中氫原子核的數目極其巨大,兩者發生撞擊的幾率相當高。碰撞發生時產生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大,並通過轉換器變成數位信號送入電腦,供科學家們分析。

科學家們已經確認中微子有三種形態:電子中微子、μ(繆子)中微子和τ(陶子)中微子;其中隻有前兩者能夠被觀測到。日大學部學家設計的這個裝置主要是用來探測宇宙射線與地面上空20公裏處的大氣層中各種粒子發生碰撞產生的繆子中微子。研究人員在6月12日出版的美國《科學》雜志上報告說,他們在535天的觀測中捕獲了256個從大氣層進入水槽的繆子中微子,隻有理論值的百分之六十;在實驗地背面的大氣層中產生、穿過地球來到觀測裝置的中微子有139個,隻剩下理論值的一半。他們據此推斷,中微子在通過大氣和穿過地球時,一部分發生了振蕩現象,即從一種形態轉為另一種,變為檢測不到的陶子中微子。根據量子物理的法則,粒子之間的相互轉化隻有在其具有靜止質量的情況下才有可能發生。其結論不言而喻:中微子具有靜止質量。研究人員指出,這個實驗結果在統計上的置信度達到百分之九十九點九九以上。

這個實驗不能給出中微子的準確質量,隻能給出這兩種中微子質量之差--大約是電子質量的一千萬分之一,這也是中微子質量的下限。中微子具有質量的意義卻不可忽視。一是如前所述,由于宇宙中中微子的數量極其巨大,其總質量也就非常驚人。二是在現有的量子物理構架中,科學家用假設沒有質量的中微子來解釋粒子的電弱作用;因此如果它有質量,目前在理論物理中最前沿的大統一理論模型(一種嘗試把粒子間四種基本作用中的三種統一起來的理論)就需要重建。

不過日大學部學家不是最早提出中微子具有靜止質量的人。早在1980年,蘇聯理論與實驗物理研究所柳比莫夫小組在經過10年的氚?能譜測量以後得出結論,認為中微子的質量為34.4電子伏特。(電子伏特是一個很小的能量單位,相當于一個電子在一伏特的電場中具有的能量。)考慮到儀器因素帶來的測量誤差和實驗方法不完善帶來的系統誤差之後,中微子的質量應在17至40電子伏特之間。這一結果第一次宣布電子反中微子的質量不等于零,轟動了全世界子物理學界和天體物理學界。

他們的研究成果公布後,全世界十幾個實驗室紛紛採用類似的方法檢驗柳比莫夫小組結果的正確性。1986年,瑞士蘇黎士大學物理所、日本東京大學原子核研究所、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室等先後發表了自己的實驗結果,與蘇聯同行的結論相去不遠。中國原子能科學研究院從80年代初開始也進行了此項研究,積累了三萬多個實驗資料,得出結論電子反中微子的靜止質量在30電子伏特以下。

對中微子的研究不僅可以告訴我們宇宙整體的質量,而且可以揭示浩瀚的太空深處各種星體的奧秘。這是因為從星球內部發出的光很難穿過龐大的星球,我們現在所觀測到的星光、太陽光隻是星球、太陽表面發出的光,隻有中微子才能暢通無阻地將星球、太陽內部的信息帶給我們。因此,揭開關于中微子的各個謎,既是深入認識微觀世界的需要,也是深入認識巨觀世界的需要。

1987年2月23日格林尼治時間10點35分,南半球的幾個天文台觀測到大麥哲倫星雲中一顆編號為SN1987A的超新星開始爆發。這訊息公布後,幾個有大型地下探測裝置的實驗室立刻查閱了資料記錄磁帶,發現在當天格林尼治時間7點35分左右總共捕獲了24個來自超新星的中微子,記錄下了十分珍貴的信息。中微子比光先到達地球是因為在星球核心引力坍縮的最初階段溫度激增至10^11攝氏度,在高溫下質子與電子合成中子而放出大量中微子。該反應產生強大的激波向外擴散,將星球外層物質加熱到幾十萬度而導致爆發,發出大量的光輻射。這三個小時的時差就是激波從核心傳到星球表面的時間。

這次觀測到超新星的爆發以後,天文學的一個新領域--中微子天文學誕生了。由于宇宙中存在大量的星際塵埃,對可見光和電磁波有較強的遮蔽作用,使我們無法探測遙遠宇宙的奧秘。而中微子可以穿過大量的物質卻幾乎不發生任何反應,從而為我們帶來了宇宙深處的中微子信息。比如雖然SN1987A爆發時我們隻記錄下了24個中微子,但卻可以推算出這顆超新星爆發的總能量和爆發後形成的中子星的直徑與質量。

中微子研究的新進展

根據物理學的傳統理論,穩定、不帶電的基本粒子中微子的靜止質量應為零,然而美國科學家的研究從另一個角度有可能推翻這一結論。

據俄《知識就是力量》月刊報道,美國斯坦福大學的科研人員對最近24年來人類探測中微子所獲資料進行分析後發現,從太陽飛向地球的中微子流運動具有某種周期性,每28天為一個迴圈,這幾乎與太陽繞自己的軸心自轉的周期相重合。

美國科學家認為,這種周期性是由于太陽不均等的磁場作用造成的。磁場強度的變化,使部分中微子流嚴重偏移,致使探測器難以捕捉到。對此似可得出結論:中微子流有著自己的磁矩,既然有磁矩,就應有靜止質量。

在微觀世界中,中微子一直是一個無所不在、而又不可捉摸的過客。中微子產生的途徑很多, 如恆星內部的核反應,超新星的爆發,宇宙射線與地球大氣層的撞擊,以至于地球上岩石等各種物質的衰變等。盡管大多數科學家承認它可能是構成我們所在宇宙中最常見的粒子之一,但由于它穿透力極強,而且幾乎不與其它物質發生相互作用,因此它是基本粒子中人類所知最少的一種。被譽為中微子之父的泡利與費密曾假設它沒有靜止質量。

1998年6月12日,東京大學的一個國際研究小組在美國《科學》雜志上發表報告說,他們利用一個巨大的地下水槽,證實了中微子有靜止質量。這一論斷在世界科學界引起廣泛關註。由日、美、韓三國科學家組成的科研小組日前在此間宣布,他們在實驗中觀測到了250公裏遠處的質子加速器發出的中微子。這是人類首次在如此遠的距離內觀測到人造粒子。

日本文部省的高能加速器機構位于築波科學城,東京大學宇宙射線研究所設在岐阜縣的神岡,兩地相距250公裏。6月19日下午,科學家在高能加速器研究機構使用質子加速器向宇宙射線研究所的神岡地下檢測槽發射中微子,並通過檢測槽檢測到了中微子。由于這批中微子來自築波科學城方向,並且是在發射之後大約0.00083秒時檢測到的,科學家因而斷定,它們就是質子加速器發出的那批中微子。

這項實驗是為了證實中微子有靜止質量而設計的。1998年6月,日、美兩國科學家宣布探測到中微子有靜止質量。如果這一點被證實,現有的理論物理體系將受到巨大沖擊。為了驗證這一發現,科學家計畫人工發射和接收中微子,觀察中微子經過遠距離傳輸後發生的變化,推斷中微子是否有質量。

為了研究宇宙中的中微子,各種新型望遠鏡不斷出現並投入使用。今年9月,一台專門研究中微子的特殊望遠鏡在地中海中開始安裝。它不像普通望遠鏡那樣直指天空,而是“反其道行之”面朝海底。這台“面海觀天”的中微子望遠鏡名為“安塔雷斯”。它由英國、法國、俄羅斯、西班牙和荷蘭等國科學家聯合設計,安裝地點位于距法國馬賽東南海岸40公裏處。望遠鏡在海面2.4公裏以下,由13根垂入海中的纜狀物組成,每個纜狀物上將帶有20個足球大小的探測器。

參與該國際合作項目的英國謝菲爾德大學科研人員介紹說,來自宇宙的中微子能暢行無礙地穿越包括地球在內的很多物體。雖然中微子無法直接探測到,但它在穿透地球過程中,偶爾會產生少量的高能量繆子中微子,並發散出特殊輻射光——切倫科夫光。“安塔雷斯”主要通過高靈敏度探測器檢測該輻射來研究中微子。由于“安塔雷斯”面向海底,絕大部分宇宙射線會被厚厚的地層禁止掉,大大減少了觀測過程中的本底噪音。專家說,這台望遠鏡的安裝有可能為更深入揭示伽馬射線爆發以及暗物質等宇宙奧秘提供重要線索。

未來研究方向

從19世紀末的三大發現至今,已經過去了100年。在這一個世紀,科學技術飛速發展,人類對自然有了進一步的認識。但是仍有許多自然之謎等著人們去解決。其中牽動全局的問題是粒子物理的標準模型能否突破?如何突破?中微子正是有希望的突破口之一。

中微子是一門與粒子物理、核物理以及天體物理的基本問題息息相關的新興分支科學,人類已經認識了中微子的許多性質及運動、變化規律,但是仍有許多謎團尚未解開。中微子的質量問題到底是怎麽回事?中微子有沒有磁矩?有沒有右旋的中微子與左旋的反中微子?有沒有重中微子?太陽中微子有沒有失蹤?太陽中微子的強度有沒有周期性變化?太陽中微子失蹤的原因是什麽?有沒有中微子振蕩?宇宙背景中微子怎樣探測?它在暗物質中佔什麽地位?有沒有中微子星?恆星內部、銀河系核心、超新星爆發過程、類星體、極遠處和極早期宇宙有什麽奧秘? 這些謎正點是將微觀世界與宇觀世界聯系起來的重要環節。對中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義,在我的日常生活中也有現實意義。人類認識客觀世界的目的是為了更自覺地改造世界。我們應充分利用在研究中微子物理的過程中發展起來的實驗技術和中間成果,使其轉化成生產力造福人類,而中微子本身也有可能在21世紀得到套用。

中微子套用

其中可能的套用之一就是中微子通訊。由于地球是球面,加上表面建築物、地形的遮擋,電磁波長距離傳送要通過通訊衛星和地面站。而中微子可以直透地球,它在穿過地球時損耗很小,用高能加速器產生10億電子伏特的中微子穿過地球時隻衰減千分之一,因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。將中微子束加以調製,就可以使其包含有用信息,在地球上任意兩點進行通訊聯系,無需昂貴而復雜的衛星或微波站。

套用之二是中微子地球斷層掃描,即地層CT。中微子與物質相互作用截面隨中微子能量的提高而增加,用高能加速器產生能量為一萬億電子伏以上的中微子束定向照射地層,與地層物質作用可以產生局部小“地震”,類似于地震法勘探,可對深層地層也進行勘探,將地層一層一層地掃描。

歷史年表

1930年,德國科學家泡利預言中微子的存在。

1956年,美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子,萊因斯獲1995年諾貝爾獎

1962年,美國萊德曼,舒瓦茨,斯坦伯格發現第二種中微子——繆中微子,獲1988年諾貝爾獎。

1968年,美國戴維斯發現太陽中微子失蹤,獲2002年諾貝爾獎。

1985年,日本神崗實驗和美國IMB實驗發現大氣中微子反常現象。

1987年,日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

1989年,歐洲核子研究中心證明存在且隻存在三種中微子。

1995年,美國LSND實驗發現可能存在第四種中微子——惰性中微子。

1998年,日本超級神崗實驗以確鑿證據發現中微子振蕩現象。

2000年,美國費米實驗室發現第三種中微子,陶中微子。

2001年,加拿大SNO實驗證實失蹤的太陽中微子轉換成了其它中微子。

2002年,日本KamLAND實驗用反應堆證實太陽中微子振蕩。

2003年,日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振蕩。

2006年,美國MINOS實驗進一步用加速器證實大氣中微子振蕩。

2007年,美國費米實驗室MiniBooNE實驗否定了LSND實驗的結果。

相關信息

奇怪的中微子

中微子是一種難以捉摸的基本粒子,有三種類型,即電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們質量非常小,不帶電。太陽、宇宙線、核電站等都能產生大量中微子。它極難被探測,幾乎不與物質發生相互作用,被稱為“鬼粒子”,可以輕松地穿過人體、建築,甚至地球,不帶來任何影響。所以,中微子在概念被提出11年後,科學家才在實驗室中第一次觀測到這種神秘粒子的存在。中微子不僅在微觀世界最基本的規律中起著重要作用,而且與宇宙的起源與演化有關,例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成。

中微子

中微子盡管曾被許多人認為是虛幻的,但它卻能夠做到如光線穿透窗玻璃那般穿透金屬鉛之類的厚重物質,並且在運動過程中有三分之一會發生從一種形態轉為另一種的振蕩現象。很多人認為,這些特徵無疑將令規則嚴苛的愛因斯坦相對論在其面前失去部分效用。

中微子

以前人們以為中微子是沒有質量的,永遠以光速飛行。1998年日本的超級神岡實驗發現它們可以從一種類型轉變成另一種類型,稱為中微子振蕩,間接證明了它們具有微小的質量。不過這個質量非常非常小,到現在還沒有測出來,它們的飛行速度非常接近光速,到現在也沒有測出與光速的差別。由于它很難探測,是我們了解最少的基本粒子,現在還存在大量的未解之謎。正因為如此,在其它粒子都有大量證據證明嚴格遵守相對論時,也有不少人懷疑中微子會不會是個特例?

中微子的謎團

中微子有大量謎團尚未解開。首先它的質量尚未直接測到,大小未知;其次,它的反粒子是它自己還是另外一種粒子;第三,中微子振蕩還有兩個參數未測到,而這兩個參數很可能與宇宙中反物質缺失之謎有關;第四,它有沒有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉與熱點學科。

中微子天文學

中微子天文學天體物理學的一個分支﹐主要研究恆星上可能發生的中微子過程以及這些過程對恆星的結構和演化的作用。中微子是一種不帶電﹑靜止質量為零的基本粒子。早在研究原子核的β衰變時就從理論上預見到中微子的存在﹐但直到1956年才在實驗中觀察到。中微子和一般物質的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情況外,在恆星內部產生的中微子能夠不受阻礙地跑出恆星表面﹐因此﹐對恆星發射的中微子進行探測﹐可以獲得有關恆星內部的信息。

太陽中微子實驗

太陽每秒放出的總輻射能為 3.86×10爾格。其中絕大部分的能量由質子-質子反應產生﹐很小一部分由碳氮迴圈產生。這些反應中有許多分支反應過程是產生中微子的﹐中微子在地球表面處的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本領﹐一般很難測量。美國布魯克黑文實驗室的戴維斯等人在深礦井中進行了太陽中微子的實驗。實驗中用大體積的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘獲中微子的反應﹕+Cl→e +Ar﹐來探測太陽中微子。從1955年以來﹐他們所得的結果是﹕

產生中微子的過程

在恆星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恆星演化的晚期﹐中微子的作用就變得重要了。這時﹐產生中微子的過程主要有以下幾種:

第一種是尤卡過程。其反應為:

(Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +﹐

e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+。

尤卡過程的總效果﹐是將電子的動能不斷地轉化為中微子對而放出。式中Z 為原子序數(質子數)﹐A 為質量數(核子數)﹐e 為電子﹐為電子中微子﹐為反電子中微子。

第二種是中微子軔致輻射。隆捷科沃于1959年首先進行研究。電子與原子核(Z﹐A )碰撞﹐可以發射中微子對﹐其反應為:

e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )++。

第三種是光生中微子過程。丘宏義和斯塔貝爾曾在1961年首先進行研究。γ光子與電子碰撞﹐可以發射中微子對﹐其反應為:

γ+e →e ++。

第四種是電子對湮沒中微子過程。丘宏義和莫裏森于1960年首先進行研究。正﹑負電子對湮沒為中微子對﹐其反應為:

e +e →+。

式中e 為正電子。

第五種是電漿激元衰變中微子過程。J.B.亞當斯等人于1963年進行研究。電漿激元可以按如下的反應衰變為中微子對:

→+。

第二﹑三﹑四﹑五種過程是根據1958年範曼和格爾曼提出的普適弱相互作用導出的。弱電統一理論提出後﹐又出現了許多新的中微子過程﹐例如上述第三﹑四﹑五種過程右方的+都可推廣為+﹐+等。

中微子的作用

在恆星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕發射中微子﹐帶走了大量的能量﹐加快了恆星演化的進程和縮短了恆星演化的時標﹔對超新星爆發和中子星形成可能起關鍵作用。例如﹐有一種看法認為﹕在一個高度演化的恆星內部﹐通過逐級熱核反應﹐一直進行到合成鐵。進一步的引力坍縮,將使恆星核心部分產生強烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由于中性流弱作用的相幹性﹐鐵原子核對中微子有較大的散射截面。因此﹐強大的中微子束會對富含鐵原子核的外殼產生足夠大的壓力﹐將外殼吹散而形成猛烈的超新星爆發。被吹散的外殼形成星雲狀的超新星遺跡﹐中子化的核心留下來形成中子星。

恆星離我們十分遙遠﹐以目前的探測技術還無法接收到它們發射的中微子流。隻在超新星爆發使中微子發射劇增時﹐才有可能探測到。除了恆星以外﹐在類星體﹑激擾星系以及宇宙學研究對象中﹐也存在許多有關中微子過程的問題。

中微子實驗

中微子是當前粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉前沿學科,本身性質也有大量謎團尚未解開。在這一領域,大部分成績均為日本和美國取得。1942年,中國科學家王淦昌提出利用軌道電子俘獲檢測中微子的可行方案,美國人艾倫成功地用這種方法證明了中微子的存在。80年代,中國原子能科學研究院進行了中微子靜止質量的測量,證明電子反中微子的靜止質量在30電子伏特以下。

中微子振蕩研究的下一步發展,首先必須利用核反應堆精確測量中微子混合角theta13。位于中國深圳大亞灣核電站具有得天獨厚的地理條件,是世界上進行這一測量的最佳地點。由中國科學院高能物理研究所領導的大亞灣反應堆中微子實驗于2006年正式啓動,聯合了國內十多家研究所和大學,美國十多家國家實驗室和大學,以及中國香港、中國台灣、俄羅斯、捷克的研究機構。實驗總投資約3億元人民幣,預期2010年建成。它的建成運行將使中國在中微子研究中佔據重要的國際地位。

中微子具有質量,這是很早就提出過的物理概念。但是人類對于中微子的性質的研究還是非常有限的。我們至今不是非常確定地知道:幾種中微子是同一種實物粒子的不同表現,還是不同性質的幾種物質粒子,或者是同一種粒子組成的差別相當微小的具有不同質量的粒子。隨著人類認識的深化,科學技術的發展,中微子之謎終究是會被攻破的。

此次研究的中微子束源自位于日內瓦的歐洲核子研究中心,接收方則是義大利羅馬附近的義大利國立核物理研究所。粒子束的發射方和接收方之間有著730公裏的距離,研究者讓粒子束以近光速運行,並通過其最後運行的時間和距離來判斷中微子的速度。中微子束在兩地之間的地下通路中穿梭。

但物理學家們認為,一旦這些粒子確實被證實跑過了光速,將徹底改變人類對整個宇宙存在的看法,甚至改變人類存在的模式。有分析人士認為,可能宇宙中的確還存在其他未知維度,中微子抄了其他維度的“近路”,才“跑”得比光快。現在此結論還有待進一步證實。

大亞灣發現新中微子振蕩

人民網北京3月9日電(記者 王泓漓)大亞灣中微子實驗國際合作組發言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳8日在北京宣布,大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振蕩,並測量到其振蕩幾率。該發現被認為是對物質世界基本規律的一項新的認識,對中微子物理未來發展方向起到了決定性作用,並將有助于破解宇宙中“反物質消失之謎”。

上海交通大學物理系主任、粒子物理宇宙學研究所所長季向東這樣闡釋這項研究的意義:“大亞灣實驗發現了電子中微子震蕩的新模式,這種模式的發現對了解為什麽在物質遠遠多于反物質,對解釋太陽系中元素的豐度有極其重要的作用。在我們所觀察到的宇宙中,物質佔主要地位,但為什麽如此,到現在還沒有一個合理的解釋,大亞灣實驗的結果開啟了一扇大門。”

另據王貽芳透露,2002年,兩名美日科學家因發現大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩獲得了當年的諾貝爾物理學獎,但第三種振蕩一直未被發現。9年前,中科院高能所研究人員提出構想,利用大亞灣核反應堆群產生的大量中微子,來尋找中微子的第三種振蕩。“2003年左右,國際上先後有7個國家提出了8個實驗方案,最終有3個進入建設階段,這就包括咱們的大亞灣核電站。”王貽芳稱,為搶在競爭對手之前獲得物理結果,科研人員將實驗分為兩個階段,此次結果便來自第一階段的資料。

中微子天文望遠鏡

觀測中微子

由于探測技術的提高,人們可以觀測到來自天體的中微子,導致了一種新的天文觀測手段的產生。美國正在南極洲冰層中建造一個立方公裏大的中微子天文望遠鏡——冰立方。法國、義大利、俄羅斯也分別在地中海和貝加爾湖中建造中微子天文望遠鏡。KamLAND觀測到了來自地心的中微子,可以用來研究地球構造。

歐盟“鸚鵡螺號”

歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號” ——KM3中微子天文望遠鏡,它將安裝在地中海一立方公裏的海水中。儒勒·凡爾納的科幻小說《海底兩萬裏》講述了尼莫(拉丁語為“無此人”的意思)船長和他的“鸚鵡螺號”潛水艇的歷險故事;中微子則是我們所能知的最接近“無物質”的最小粒子,它也是一種黑暗的物質。小說中的“鸚鵡螺號”被用來探索海底世界,中微子也可以被用來觀測太空中那些遙不可及的天體。目前,歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號”——KM3中微子天文望遠鏡,它將安裝在地中海一立方公裏的海水中。

歐洲KM3計畫的負責人之一,英國謝菲爾德大學的李·湯普森博士說:“利用中微子觀察宇宙是一種全新的技術。中微子不會被其他物質吸收,也不會被其他東西反射。中微子可以穿過我們的身體,也可以穿過地球,但它們本身絲毫不受到影響。中微子不帶電荷,它們的運動路線也不會因其他電磁場而彎曲。所以,一旦發現中微子,並判斷出它的運動方向,我們就可以發現它在宇宙中的來源。”

由于完全不受其他物質的影響,中微子可以提供關于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它,你必須有一個巨大的探測器。為了讓KM3正常工作,大量的感測器要被放置在地中海海底的一個巨大水體之內,這樣它們才能捕捉任何偶然經過的中微子軌跡。

在小說中,“鸚鵡螺號”在航行中需要防御大型甲殼動物的攻擊。在海底工作的KM3也有自己的麻煩。它需要被安放在一個沒有過多海底生物的地方,因為這些在黑暗中大量繁殖的海底生物會自己發光,從而幹擾感應器對中微子光的捕捉。

北京第二台望遠鏡

與此同時,研究人員還在北京實現了第二台望遠鏡的全遙控試運行,成功實現了與中意合作ARGO全覆蓋地面探測器的聯合觀測。截至5月23日凌晨,這台望遠鏡已觀測到50多個宇宙線事例。中國科學院高能物理研究所研究人員表示,超高能中微子望遠鏡研製的成功,標志著中國具備了實施超高能中微子探測這一探索性研究的技術和人員條件,為超高能中微子探測研究的正式立項奠定了堅實的基礎。

綜述

一些歐洲科學家在實驗中發現,中微子速度超過光速。如果實驗結果經檢驗得以確認,阿爾伯特·愛因斯坦提出的經典理論相對論將受到挑戰。 光速約每秒30萬公裏,愛因斯坦的相對論認為沒有任何物體的速度能夠超過光速,這成為現代物理學的重要基礎。如果真的證實這種超光速現象,其意義十分重大,整個物理學理論體系或許會因之重建。

此結論:中微子要比光子快60納秒(1納秒等于十億分之一秒)

【已被證實為實驗失誤,系 電腦與全球定位系統(GPS)設備之間的光纜連線松動所致】

義大利格蘭薩索國家實驗室“奧佩拉”項目研究人員使用一套裝置,接收730公裏外歐洲核子研究中心發射的中微子束,發現中微子比光子提前60納秒(1納秒等于十億分之一秒)到達,即每秒鍾多“跑”6公裏。“我們感到震驚,”瑞士伯爾尼大學物理學家、“奧佩拉”項目發言人安東尼奧·伊拉蒂塔托說。2011年9月22日英國《自然》雜志網站報道了這一發現。研究人員定于23日向歐洲核子研究中心提交報告。(據美國《科學》雜志網站報道,去年有關中微子比光跑得快的發現曾震驚科學界,但這個實驗結果實際上是由于操作失誤,電腦與全球定位系統(GPS)設備之間的光纜連線松動所致。)

挑戰經典

相對論是現代物理學基礎理論之一,認為任何物質在真空中的速度無法超過光速。這一最新發現可能推翻愛因斯坦的經典理論。歐洲核子研究中心理論物理學家約翰·埃利斯評價:“如果這一結果是事實,那的確非同凡響”。法國物理學家皮埃爾·比內特呂告訴法國媒體,這是“革命性”發現,一旦獲得證實,“廣義相對論和狹義相對論都將打上問號”。他沒有參與這一項目,然而查閱過實驗資料。比內特呂說,這項實驗中,中微子穿過各類物質,包括地殼,“這也許會減慢它們的速度,但絕不會增加它們的速度,讓它們超過光速”。

有待檢驗

這不是愛因斯坦的光速理論首次遭遇挑戰。2007年,美國費米國家實驗室研究人員取得類似實驗結果,但對實驗的精確性存疑。

“奧佩拉”項目發言人伊拉蒂塔托說,項目組充分相信實驗結果,繼而公開發表。“我們對實驗結果非常有信心。我們一遍又一遍檢查測量中所有可能出錯的地方,卻什麽也沒有發現。我們想請同行們獨立核查。”

這一項目使用一套復雜的電子和照相裝置,重1800噸,位于格蘭薩索國家實驗室地下1400米深處。項目研究人員說,這套接收裝置與歐洲核子研究中心之間的距離精度為20釐米以內,測速精度為10納秒以內。過去兩年,他們觀測到超過1.6萬次“超光速”現象。依據這些資料,他們認定,實驗結果達到六西格瑪或六標準差,即確定正確。

歐洲核子研究中心物理學家埃利斯對這一結果仍心存疑慮。科學家先前研究1987a超新星發出的中微子脈沖。如果最新觀測結果適用于所有中微子,這顆超新星發出的中微子應比它發出的光提前數年到達地球。然而,觀測顯示,這些中微子僅早到數小時。“這難以符合‘歐佩拉’項目觀測結果,”埃利斯說。

美國費米實驗室中微子項目專家阿爾方斯·韋伯認為,“歐佩拉”實驗“仍存在測量誤差可能”。費米實驗室女發言人珍妮·托馬斯說,“歐佩拉”項目結果公布前,費米實驗室研究人員就打算繼續做更多精確實驗,可能今後一年或兩年開始。

伊拉蒂塔托歡迎同行對實驗資料提出懷疑,同樣態度謹慎。他告訴路透社記者:“這一發現如此讓人吃驚,以至于眼下所有人都需要非常慎重”。

就韋伯而言,即使實驗結果獲得確認,相對論“仍是優秀理論”,隻不過“需要做一些擴充或修正”。他說,艾薩克·牛頓的重力理論不完美,但並不妨礙人類借助它飛向太空

更新後的檢驗

9月份發布“中微子超光速”訊息的機構是歐核中心(CERN)與大型中微子振蕩實驗(OPERA)項目組。實驗發現,位于日內瓦邊境的CERN發射出的中微子束,“翻山越嶺”來到732公裏外的義大利,在實驗誤差不超過10納秒的情況下,中微子的行進速度竟比光快了58納秒。 這一有可能顛覆當前物理學研究根基的結果震撼了整個學界,也招致了世界上絕大部分物理學家的集體質疑。在當初的各種疑問當中,科學家特別指出,整個實驗開始時中微子被質子束產生所需的時間,都比完成實驗行進距離後所耗費的時間要久得多。有鑒于此,歐核中心在10月份更換了設備,使中微子的生成時間縮短到了3納秒,以此來更好地與到達義大利格蘭薩索的中微子做比較。第二次重復性實驗的結果表明,中微子依舊比光提前到達了62納秒。這在與第一次實驗結論完全吻合的同時,也否定了關于中微子脈沖的持續性與實驗結果有關的猜測。

11月17日,該研究團隊再次發布報告稱,已通過二次檢驗,獲得了與第一次實驗相同的結果,且以此排除了實驗過程存在錯誤的可能性。該實驗發言人、合作參與研究的瑞士伯爾尼大學安東尼奧·埃裏蒂塔圖博士表示,本次結果要“稍好點”。其他研究人員亦認為,本次在實驗精確性、統計分析等多方面得到改進,且雖說都是OPERA的人,但卻是由不同的小組來完成重復實驗。

據《紐約時報》線上版、《華盛頓郵報》線上版等多家媒體11月20日訊息稱,來自OPERA的研究人員當地時間17日發布了新產生的實驗資料,再次確認了此前轟動一時的“中微子超光速”實驗結果,且這是針對前一次的部分質疑進行了設備修正後再次實驗得出的結論。不過,鑒于該實驗的“原始”製造方和再次驗證都是同機構中人,各地科學家們普遍希望能有獨立實驗予以復製分析,否則對理論的懷疑都是後話,因為對實驗自身的懷疑尚還不能平息。

中微子

這一結果給科學界帶來了巨大困惑,因為這與愛因斯坦狹義相對論中光速是宇宙速度的極限,沒有任何物質的速度可以超越光速的理論相悖。

10月份,歐洲核子研究中心最佳化了實驗方案並開始復核中微子超光速實驗,最終“新的測量方法沒有改變最初的結論”。但歐洲核子研究中心也表示,在中微子速度超越光速這一結論被駁倒或者被證實前,還需要進行更多的實驗觀察和獨立測試。

物理學家解釋

台北時間10月18日訊息,超光速中微子存在意味著愛因斯坦的推測是錯誤的。至少自從科研人員在義大利通過OPERA試驗提出中微子比我們認為的早到60納秒後,這就一直是一些非常受歡迎的新聞媒體喜歡談論的話題。對這一異常結果非常感興趣的科學家從此開始尋找更準確的答案。該訊息宣布3周後,arxiv網站的預印版上貼上出80多種解釋。雖然一些人提出新物理學的可能性,例如中微子在額外維中穿行,或者特定能量的中微子的運行速度比光更快,但是很多人為這項試驗提出創新性更少的解釋。

有關超光速的解釋,最早出現的一個反對理由來自一項天體物理學研究。1987年,一顆強大的超新星產生的大量光和中微子涌向地球。雖然中微子探測器觀察到這種微粒比光早到大約3小時,但是很有可能是這種超輕粒子先開始向地球方向飛來。中微子很難與物質產生互動,它相對比較容易從爆炸的恆星核裏逃逸出來,而光子會被多種元素吸收並重新發射出來,它從恆星核裏逃逸出來需要更長時間。如果OPERA試驗得出的結果與觀測結果一樣,科學家認為中微子應該比光早到超過4年時間。

其他科學家已經把這一超光速結果套用到採用標準物理模型的任務中,這種模型用來描述所有亞原子粒子以及它們之間的互動。據標準物理模型顯示,能量足夠高的中微子應該能夠通過被稱作科恩-格拉肖噴射(Cohen-Glashow emission)的過程產生虛擬電子對。正如諾貝爾獎得主格拉肖和他的同事們在一篇論文裏的解釋,這些噴射物將會逐漸耗盡超光速中微子產生的能量,導致它們的運行速度放慢下來。

理論物理學家馬特-施特拉斯勒也在他的部落格上說,標準物理模型的特徵表明,要讓中微子的運行速度比光快,電子也要這樣。但是如果電子中微子以OPERA試驗提出的速度運行,那麽電子至少也應該比光速快十億分之一。很多試驗已經確定電子的理論極限,這很好地排除了上述假設。OPERA科研組利用GPS衛星精確測量探測器與歐洲粒子物理研究所的粒子束之間的730公裏的距離,該研究所正是產生中微子的地方。然而根據狹義相對論,如果兩名觀察員向彼此靠近,將會得出略微不同的結論。

由于衛星是在圍繞地球運行,中微子源和探測器的位置會不斷發生變化。據該論文說,衛星運動會導致64納秒的誤差,幾乎與OPERA科研組的觀察結果接近。最終,物理學界還需要花費大量時間,並獲得大量學術知識,才能為該科研組得出的結果提供真正的解釋。在此之前,激烈的爭論可能會一直持續下去。

質疑者的聲音

在OPERA實驗結果發表後,除了科學家口頭表達的看法外,幾天內就出現了幾十篇論文,探討實驗的結果。不少知名科學家包括諾貝爾獎得主,都斬釘截鐵地說,肯定是OPERA實驗錯了。

從概率上來說,最大的可能性是這個實驗本身有漏洞,隻不過現在還沒有被發現。有人指出了實驗的幾個測量環節有可能會出問題。諾貝爾獎得主格拉肖發表論文,說明如果真的超了光速,中微子的能量會在地下飛行過程中損失,實驗結果會自相矛盾。因此,當務之急是重復實驗結果。諾貝爾獎得主魯比亞在參加北京諾貝爾獎論壇時表示,另外兩個義大利中微子實驗BOREXINO和ICARUS可以用來驗證。美國MINOS實驗也表示,他們會馬上分析資料,給出一個初步結果,然後再改進測量設備,驗證OPERA實驗的結果。

第二種可能是中微子具有特殊性質,這樣相對論也是對的,這個實驗結果也是對的。比如說,歐洲核子研究中心發出的中微子有可能振蕩到一種惰性中微子,而惰性中微子可以在多維空間中“抄近路”,然後再振蕩回普通中微子,這樣看起來中微子就跑得比光快了。也有人認為中微子的質量不是固定的,與暗能量有關聯,會隨環境變化,這樣在飛行過程中看起來比光速快。諸如此類的理論很多,不過這些理論本身就需要大量實驗來證實。

第三種可能就是相對論錯了,光速是可以超過的。包含兩次實驗的具體內容的論文已經公布到網際網路上供公眾查閱,並已提交給《高能物理學》雜志。相對于9月份實驗之後部分OPERA成員不願在報告草案上署名並希望有更多時間進行檢驗的狀況,埃裏蒂塔圖向新聞界表示,人們會在第二次實驗報告上看到全體研究成員的簽名。

論文公布後,反對派的物理學家們指出,盡管回答了一些關于實驗的質疑,但OPERA的報告依然回避了以下信息:日內瓦與格蘭薩索的時間如何保持同步?兩地之間的距離如何得到精確測量?夏威夷馬諾大學的中微子物理學家約翰·萊納德表示,盡管研究者的構想與努力獨具創新,但該實驗在時差測算中依然存在深層次的系統錯誤。與許多其他物理學家一樣,萊納德承認絕對可信的理論實際上並不存在。但他們看到了此事件的另外一面——關于中微子的研究正因為那種它所可能帶來的深入、廣泛的影響而愈具吸引力。而回到物理學理論上,即便該實驗結論最終得到證實,那也“將是非常有趣的事”。

歐核中心的理論物理學家阿爾瓦羅·盧居拉認為,中微子實驗的結果隻能有兩種解釋:其一,實驗者盡管偶然但確實完成了一項革命性的偉大發現;其二,也是他自己選擇相信的,是這兩次實驗都存在著相同的卻沒有被認識到的錯誤。

2011/11/2文匯報以整個版面報道了“超光速震撼”.

目前,其他大部分物理學家對于這種顛覆規律的結論依舊持懷疑和保留態度。

而《紐約時報》的報道在全文開篇就指出:盡管已有一小撮兒科學家開始敢于質疑愛因斯坦的經典理論,但OPERA的那些“魍魎粒子”目前仍缺乏解釋。

中微子

據著名期刊美國《科學》雜志網站報道,接近CERN實驗者的訊息來源透露,去年9月義大利實驗室所作的中微子速度超光速結果終于有了解釋:GPS信號接收器和PC之間的光纜沒接好導致的系統誤差造成了這一假象。

此前已經有更多的研究人員站出來稱這一與相對論矛盾的實驗結果是由于某種還未發現的系統誤差所導致,並且相對論在“發現”之後至今的近一百年間已經為多個實驗所證實。這次正是如此:研究人員發現檢查連線用來校正中微子飛行時間的GPS信號接收器和PC的光纜後,此前中微子比光速快60ns的實驗結果就可得到解釋。具體進展還需等待進一步證實以及發表正式文章之後。

得到主流科學界的承認當然沒那麽容易,同時再次說明布線的重要性,該整理機房了……

中微子超光速試驗最新進展—“沒有超光速效應” 據著名期刊美國《科學》2012年3月23日報道,實驗人員在Gran Sasso,使用ICARUS接收器重新測量來自GERN的中微子的速度,發現中微子速度剛好是光速,並沒有出現超光速效應。GERN的Carlo Rubbia(ICARUS隊的發言人)說到:"沒有超光速效應,我還能說什麽?"OPERA的發言人表示:“來自ICARUS的實驗結果和我們的近期實驗結果相一致”。、

2012年6月8日,正在日本京都召開的國際中微子物理和天體物理學國際會議上,研究人員們向國際科學界報告了這項研究的最新進展情況。物理學家們宣布,之前那項對愛因斯坦相對論的基礎——光速極限理論提出挑戰的實驗已經被確認存在錯誤。世界上多個獨立的研究小組進行的後續驗證實驗都已經證明,和所有其它事物一樣,中微子同樣遵循愛因斯坦指出的宇宙速度極限法則。同時,歐洲核子研究中心的科學家們已經做出了澄清:之前的實驗結果是錯誤的,實驗設備的線纜接口出現問題導致了誤差的發生。

關于中微子笑話

一天,三個中微子來酒館吃飯,侍者問道:“請問三位都要啤酒嗎?”

第一個中微子說:“是的!”

第二個中微子說:“我也不知道。”

第三個中微子說:“我不知道。”

侍者于是拔掉了光纜的插頭對他們說:“這次好好說話!”

(改編自三個邏輯學家的故事)    

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