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中微子疑案懸而未決
2011-11-30|文章來源:科學時報 甘曉 |【
 

  在一家酒吧門口,酒保說:“我們不允許比光速還快的中微子進到這兒。”話剛落,他看到一顆中微子來到了酒吧門口。

  最近,這個笑話在物理學界流傳開來。今年9月,歐洲原子能研究機構(CERN)與大型中微子振蕩實驗(OPERA)項目組發布消息,中微子的速度快于光速。這種微粒子有可能穿越時間,才讓酒保看到中微子的到來。

  兩個月來,許多物理學家表示對實驗結果心存質疑。近日,OPERA研究人員發布了新產生的實驗數據,再次確認了此前轟動一時的“中微子超光速”實驗結果。

  然而,多名物理學家仍對此結果表示不信服,中微子疑案仍然懸而未決。

  修正最重要的系統誤差

  “上一次實驗結果實際上只是一場意外。”中科院理論物理所研究員李淼哈哈大笑起來。

  2005年,OPERA項目開始從位于日內瓦的CERN將高能中微子束送到730公里外的意大利地下Gran Sasso實驗室,試圖對中微子振蕩現象進行探索。研究人員用10.5微秒的脈沖質子束來產生中微子,在數據分析中,他們意外地發現中微子比光速快了60納秒。

  然而,面對難以置信的實驗結果,物理學家首先考慮到的是“誤差”。“發射中微子的束團太長。”中科院高能物理所研究員曹俊稱,“儀器探測到一個中微子的時候,我們并不知道它是束團中的哪一個質子產生的。”

  這的確是那次毫無準備的實驗中,最受詬病的系統誤差。

  今年10月22日起,為了消除這個誤差,OPERA實驗特地將中微子束團縮短到3納秒,并相隔524納秒發出。這樣的改進使每個能探測到的中微子都能找到準確的發射時間。

  “中微子跑完全部700多公里的路程,只需要2微秒多,但由于它‘羞于’和物質發生相互作用,所以太難檢測到它。”李淼和基本粒子打了多年交道,諳熟中微子的個性。

  因此,11月6日結束時,探測器只測到20個中微子。與原來的實驗結果一致,新的實驗證明,中微子比光快62.1納秒,誤差為3.7納秒。

  曹俊認為,這項改進的確增加了結果的可靠性,但是,仍有大量的誤差來源存在疑點。“如果說,上次實驗后,我認為99%是實驗錯了,這次我認為90%實驗錯了。”

  李淼稱,這次實驗沒有改進其他項目,只是從技術上改進了大家最關心的問題。

  “他們沒有說服我”

  “他們仍然沒能說服我。”這是清華大學物理系教授陶嘉琳的第一反應。

  陶嘉琳曾作為一名實驗物理學家在費米實驗室和CERN工作過。“盡管修正了我們此前最關心的問題,但是,GPS設備的精度讓我懷疑。”她說。

  其實,早在4年前,費米實驗室的研究者們發現中微子速度超過光速400多納秒,但被研究者們一致認為是GPS帶來的誤差。而并沒有進行更深入的研究。

  “后來的實驗,CERN也沒有對可能產生問題的GPS進行更換。”陶嘉琳說,“這是一項很復雜的工程。”

  正因為如此,一些物理學家猜測,CERN將帶著大量系統誤差的結果發布出來,目的之一便是為了告訴項目方:是更換精度更高設備的時候了。

  尋找中微子的魔幻性質

  就在實驗物理學家忙著進行獨立實驗時,一些理論物理學家認為,也許中微子具有某種“魔幻”性質,才讓它們看上去跑過了光速。

  “第一次實驗后的幾天內,已經有20篇左右的理論文章試圖解釋這個現象。”李淼說,“多數是修改中微子的色散關系,也就是速度和能量的關系。”

  中科院高能物理所研究員張新民提出,地球附近聚集的暗能量與中微子相互作用,使中微子在暗能量中傳播時超光速了。

  “這是基于我們在2003年提出的‘中微子暗能量’模型。”他說。

  另一個模型則認為,除了長度、寬度、高度、時間四維外,還存在額外維度。中微子從額外維度抄了近路,才得以使經過計算的速度超過光速。

  然而,在物理學家們看來,這些解釋還不足以成為完整的理論體系,僅僅是一些模型。

  “目前不少理論猜測還顯得很牽強,不足為憑。”曹俊認為。

  目前,物理學界都在翹首等候美國費米實驗室對CERN實驗結果的驗證,期待為中微子疑案蓋棺定論。

  (原載于《科學時報》 2011-11-28 A1 要聞)


 
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