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2011-10-28

超光速中微子的那些事

归档于: 基础科学, 数理科学 @ 10:46 am

9月下旬,意大利Gran Sasso国家实验室宣称,他们的地下中微子探测器OPERA发现了730千米之外来自西欧核子中心的超光速中微子,一时间物理界哗然。毕竟光速不变且为速度上限是现代物理学特别是相对论的基石之一,如果这一发现确实为真,意义非同小可。可以料到的是,在OPERA小组公布发现的一个月之内,不乏其他实验以及理论工作对其泼了一盆又一盆的冷水。本文打算回顾一下此事的来龙去脉,至于事实如何,还需要等待今后的进一步结果。

事情起源于9月22日的新闻。中微子按说应该以几近光速运动,但是OPERA小组宣称,他们发现来自CERN的中微子比预期早到了60纳秒,也就是说这些中微子的速度快于光速。

在进一步评论之前先说一说OPERA这台仪器。它以CNGS(CERN Neutrinos to Gran Sasso)作为中微子源,主要目标是经由τ子作为中介,探测μ子中微子到τ子中微子的转变。意大利Gran Sasso国家实验室在1999年末与CERN签署了协议,并于次年开始了CNGS的施工,施工连带仪器安装过程差不多持续了5年。CNGS的作用是提供指向意大利的中微子束,这些中微子是CERN超级质子同步加速器的质子加速产物。

CNGS设在CERN地下的线路示意。(图片来源:Adam et al. 2011

OPERA本身包括两台模块,每台由重达625吨的靶区连带μ子谱仪组成,靶区的结构是交替排列的感光乳剂层与铅板,同时还附有示踪中微子作用位置的闪烁体。除了测量中微子振荡,它还具备纪录中微子到达时间的作用。所以理论上说,只要知道CERN发射中微子的时间,就可以使用OPERA测量到达时间进而推算出中微子运动速度了。

OPERA仪器外观。(图片提供:LNGS)

当然实际操作起来并没有那么简单。单个中微子离开CERN前往Gran Sasso实验室这一过程所花费的时间是不能被精确测量出来的。CERN加速器将被加速质子成批射向石墨靶,每批持续时间是10.5微秒,其中的每个质子都有可能产生被OPERA探测到的中微子,因为基本粒子不可分,是没有办法搞清哪个中微子是哪个质子产生的。除此之外,质子加速过程的直接产物是介子,介子先在CNGS中经过磁场的集束,之后很快会衰变为μ子中微子与μ子。如此粒子流在踏上前往意大利的旅途之前还要经过进一步过滤,拦截μ子与残留的质子,只留下μ子中微子。问题是粒子衰变是个概率问题,每个粒子具体在何时何地衰变又是个未知数。所以这样看来,想知道中微子的速度,还需要一些统计技巧,大样本可以抹平前一点(用于得出超光速结论的中微子数量一共有15223个,对应2009年到2011年间被加速的1020个质子,样本不小,但是说实话,自己还是没明白如何在10.5微秒的时间覆盖范围中提取出60纳秒的提前量)。而根据小组的原始论文,后一点对测量的影响几乎可以忽略不计。

本人也不是对粒子物理很内行,所以暂且不管具体是如何操作的,总之OPERA小组很坚定地认为,他们发现了快于光速的中微子。下图是中微子到达时间比光速运动到达时间的提前量:

图片来源:Adam et al. (2011)

之前有没有类似发现呢?其实是有的,只是不确定性更大。2007年,美国明尼苏达州的中微子振荡探测器MINOS发现,来自伊利诺伊州费米实验室的中微子束到达时间比按光速运动的还要早一些。由于测量中的种种不确定,MINOS小组出于保险起见没有大张旗鼓地公布结果,只是计划继续进行更精确的测量,于是就有了这次OPERA的轰动。

试图寻求可能的解释之外,理论家的冷水马上就不可避免地泼了过来。仅仅在OPERA公布结果一周之后,就已经出现质疑的理论文章了,比如Cohen & Glashow (2011)宣称,如果OPERA探测到的中微子果真具有超越光速的速度,那么沿途就会通过正负电子对的轫致辐射损失能量,根本不会到达700多千米外的探测器,另外中国科学院高能物理所也差不多在同时有研究人员发表质疑观点。这些文章发表速度奇快,反而是OPERA自己的论文迟迟没能被接收,尚处审稿当中。

然后是实验家的冷水,来自同样属于Gran Sasso实验室、使用同一中微子源的ICARUS小组。ICARUS是两台半独立的液氩探测器,长3.9米,宽3.6米,高19.9米,内里施加电场,经过的带电粒子可以让背景氩产生离子—电子对。如果电场足够强,电子与离子不会发生复合,而是在探测器内朝向相反方向运动,运动较快的电子会在探测器外壁的平行导线中产生电流,因此从电流信息就可以反推出经过探测器的带电粒子情况。至于带电粒子源?μ子中微子与介质核子相互作用,会有很小的概率发生反应并转化为带电的μ介子。

ICARU。(图片来源:Science 2.0

ICARUS小组的工作以Cohen & Glashow 2011为基础,也就是研究中微子的能谱,确切地说是2010年期间他们接收到的CNGS中微子能谱。只要知道中微子产生时的初始能谱以及运动速度,就不难算出接收到的能谱形状。结果表明,ICARUS接收能谱与光速运动的中微子符合得很好,但并不符合超光速中微子的推断。

ICARUS小组测量的中微子能谱(黑点)与理论计算的光速中微子能谱(红线)比较。如果中微子系超光速,其能谱形态应该比上图陡得多。(图片来源:Science 2.0

写到这里,这个事情的官方说法暂时告一段落,以下是自己听说的一些传闻。首先有实验物理前辈对OPERA小组的结果表示置疑,理由是在小组提交的文章中,整个测量过程并没有讲得很清楚,这其中一个重要的参数就是CERN的加速器与OPERA所在地的距离。根据论文提供的有限信息,小组似乎是使用GPS测量了两地的经纬度和海拔,然后结合地球曲率计算的距离,虽然小组号称测量精度超过20厘米,但是这其中操作起来有大量需要注意的技术细节,稍有不慎就全盘皆输;另外两地的对钟真正做起来也不容易(看原始论文,似乎是使用GPS测量?),所以他的观点是,在这些细节完全公布之前存疑。另外听到的两个料是:第一,OPERA小组并没有遵循学术界的惯例,先行内评审再召开公众发布会;第二,该小组面临经费的评估问题,亟需公众关注,以保证计划的继续进行,于是需要一些猛料……当然这两点是在以动机揣测他人,不能作为证据,但是实验的细节确实是个问题,毕竟超越光速是非同凡响的论点,自然需要坚实的证据以及格外的小心来去确认,这也是OPERA自己的论文迟迟没能通过审稿的原因。

 

补记:11月底,OPERA小组再度宣布,他们确信先前的超光速测量是真实的,不过此时其研究论文还是没有被接收。具体情况?别问我,继续等等吧,还是那句话,非凡论点需要非凡证据,现在还是为时过早。

补记2:2012年2月底,超光速中微子的事情可以告一段落了:这60纳秒提前量的成因居然是GPS系统与计算机之间没有插紧的光纤,这搞笑得也未免太戏剧性了吧……

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