中微子公案,宇宙中飞行速度几乎达到光速

日期:2020-01-03编辑作者: 数码相机

加拿大萨德伯里中微子天文台这些我行我素的中微子,在人类逐渐认识它的历史中,曾制造了不少公案。而人类也似乎对它特别垂青,在电影《2012》中,它甚至被人类假想成世界的毁灭者。■本报记者 吴昊自从被发现至今,中微子一直不安分。2011年,它着实又火了一把,烧得让许多人既兴奋又紧张。在这场与光速的赛跑中,中微子以微弱的优势赢了。尽管它并没有和光速同台竞技,尽管大多数科学家都持质疑态度。然而,中微子速度如果真的超过光速,那么该如何将这些淘气的微粒纳入物理学?新年伊始,英国《新科学家》杂志在展望2012年时,把对它的期待放在首位。这些淘气的微粒子,在被人类逐渐认识的历史中,就曾制造了不少公案。而人类也似乎对它有特别的垂青,在电影《2012》中,它甚至被人类假想成世界的毁灭者。神龙见首不见尾它叫中微子,英文名Neutrino。它与宇宙同龄,是物质世界最基本的粒子之一;它无所不在,任何物质都有它一份;它静止质量几乎为零,还不带电荷;它性情孤僻,从不与一般物质打交道;它跑得和光不相上下,穿透力极强,甚至可以轻而易举穿过地球。如果告诉你,每一秒钟就有50万亿个中微子穿过你的身体,你可千万别被数字吓倒,要知道,太阳中心的热核反应每秒钟会生产约21030个中微子;你同样也别担心,它虽然可以自由进出你的身体,却不会带来任何危害。我们的身体和大部分宏观物体一样由分子组成,而分子由原子构成,原子中又有原子核和电子,原子核再细分,包含了质子中子,质子和中子的基本单位是夸克。夸克是强子,参与已知的所有相互作用强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。同样是构成物质世界最基本的粒子,电子的地位略低一些,不参加强相互作用;而和电子一道被称为轻子的中微子,更微不足道,质量只有电子的百万分之一,只参加弱相互作用和引力作用。正因为中微子极其微小,又不与其它物质反应,它的发现可是颇费周章。上世纪20年代末,科学家观测到,物质在衰变过程中,电子只带走了一部分能量,还有一部分能量失踪了。1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为这部分能量被一种不被人们认知的粒子带走了,这种粒子静止质量为零、电中性,与物质的相互作用极弱,以至仪器都很难探测得到。1932年,它被意大利物理学家费米正式命名为中微子。然而,这个神龙见首不见尾的家伙,虽然令科学家费心劳神,但仍然无人能够抓住它。这个调皮鬼甚至一度让泡利都陷入悲观,认为它无法被检测。直到26年后,美国物理学家弗雷德里克莱因斯才利用核反应堆中衰变时中微子与构成原子核的质子碰撞,间接地证明了它的存在。因为这个功劳,弗雷德里克莱因斯与发现轻子的美国物理学家马丁珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。1962年,美国科学家莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格发现了缪中微子,证实不止一种中微子存在,并获1988年的诺贝尔奖;1998年,日本科学家小柴昌俊等人发现了中微子振荡现象,分享了2002年的诺贝尔奖。中微子振荡的发现,多少打破了其给人既酷又神秘的形象,世界上不少实验室都展开对这种现象的进一步追踪。然而,不安分的它在2011又给我们投下了一颗重磅炸弹。欲与光速试比高2011年9月22日,位于意大利的OPERA研究小组宣布,实验表明,中微子快于光速。其实,这个研究小组的初衷仍是研究中微子的振荡现象,这从该小组的名字便可见一斑。这个设在意大利的实验室为了防止干扰,深入地下1400米,曾以进行过多个标志性的深地实验而闻名。和以往一样,这次实验它仍负责接收来自产生于瑞士与法国边境的中微子。实验中的中微子产生于欧洲核子研究中心。在这个机构里,科学家们把氢原子的电子除去,便它变成质子,然后被一系列加速器接力加速,进入大型强子对撞机。在经历一系列变化后,衰变了的中微子穿越地层抵达730公里外的意大利,OPERA的探测器可以捕捉中微子的抵达。然而,经检测,这些粒子到达OPERA传感器的时间比按光速运动的预定时间提前了60.7纳秒。除去误差,中微子每秒能比光速多跑大约7.44公里。也就是说通过计算,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。据OPERA主页上的文章介绍,中微子速度是距离除以时间,距离是通过GPS测量,误差是20厘米;而时间则通过GPS和铯原子钟测量,精度为2.3纳秒。虽然超越光速只是实验副产品,但中微子却给人们出了一道难题,令科学家左右为难,又惊又喜。在仔细考虑了实验中各种因素的影响之后,来自OPERA的研究者决定将其公开,恳请全球同行共同对实验结果进行验证。然而,第一次试验后,不少参与者拒绝在文章上签字,认为实验的精度存在问题。两个月后,修正后的实验结果再次公布。这回,文章上新增加了9名作者,但同时也减少了4名原作者。意大利国家核物理研究所所长费尔南多费罗尼说,根据学界提出的可能影响实验结果的意见,他们利用新方案进行了多达20次的重复实验,所得到结果与先前的发现完全一致。这不禁让人们想起1987年在对SN1987A超新星进行的研究中,也曾一度得出过中微子比光跑得快的结论,只是彼时反响没有如此巨大罢了。吹皱一池春水我打赌他们是错的。听到这个消息,诺贝尔物理学奖获得者乔治斯穆特作出了第一反应。他认为光速被打破的实验结果不可信。同为诺奖获得者、来自欧洲核子研究中心的卡罗卢比亚则显得比较谨慎,这是我们第一次这么长距离地传输中微子,有很多新情况发生,很多在目前看来都是异常的。一石激起千层浪,超越光速使中微子又一次成为科学界和媒体的宠儿。在OPERA第一次实验结果公布的2个多月间,就至少涌现了不少于140篇的学术论文,讨论这一现象的可能解释,但同时也不乏质疑和反对者。中科院高能物理研究所研究员曹俊就曾援引诺贝尔奖获得者格拉肖与合作者安德鲁科恩教授的文章称,在一个比较合理的假定前提下,如果中微子真的超了光速,将会导致辐射损失能量,OPERA的实验也就不会得到现在的能谱。英国《每日电讯报》则报道,同样来自意大利格兰萨索国家实验室的另一个研究小组独立重复了OPERA实验。研究人员认为,中微子即使只比光快一点点,将会在行进过程中失去大部分能量。然而,实验结果表明,中微子在行进中并无能量损失。不少科学家认为实验本身的系统误差会导致实验结果出现偏差,例如距离和时钟是测准、校准,或者其他一些效应造成。德国电子同步加速器研究中心研究人员克里斯蒂安施皮林面对媒体说:我非常、非常、非常确信,测量数据里存在迄今尚未发现的系统性错误。科学家们如此谨慎的原因在于,如果光速被超越成为确凿的事实,现代量子物理基石会被打破。一般认为,狭义相对论有两个基础:一个是相对性原理,一个是光速不变原理。中微子超光速在实质上可以被认为是破坏了时空对称性,从而违背狭义相对论。如果超光速是真的,不光狭义相对论,就连广义相对论也将面临相应的修改。清华大学高能物理研究中心和工程物理系教授何红建在一次研讨会上说。史上又一桩公案?撇开此次的超光速事件,中微子还曾引起另一桩科学公案太阳中微子失踪迷案。上世纪60年代,为了捕捉到来自太阳核聚变中产生的中微子,物理学家戴维斯来到位于美国南达科他州的一个深1500米的矿井中,安置了一个大约长15米,直径达6米的容器,并在里面装满约40万升的无水纯四氯乙烯。戴维斯和同事就在这里守株待兔,坐等中微子与溶液中氯原子的碰撞,从而对其进行检测。为了得到大量令人信服的数据,这个实验一做就是25年。利用这套装置,戴维斯和同事们每天能观测到0.5个来自太阳的中微子。然而,长达25年的数据,却越来越让科学家疑惑:根据对太阳模型的理论计算,中微子的吸收率应该是实验值的3倍左右。那么,剩下的2/3哪里去了?这就是著名的太阳中微子失踪之谜。在经历了对实验准确性的怀疑之后,物理学家们首先想到的是修改太阳模型,但很快便宣告失败。原来,一旦太阳模型被修改,就与很多其他的观测结果无法对应。2001年6月,这桩持续30年的公案在加拿大安大略省得到了昭雪:中微子没错,太阳模型也没错。只是,太阳释放出的电子中微子在旅途中有一部分转变成了其他类型的中微子。原来,这种不同中微子间的转变,正是来源于中微子的振荡。科学家先是发现大气中微子发生了代与代之间的振荡,进而延伸到太阳中微子中。与今天中微子超越光速相比,后者或许还算不上一桩公案。物理大师霍金就认为:对中微子发表评论还言之过早,必须进行更多实验及澄清工作。霍金也许不必过于着急,研究人员早已行动起来。2011年9月30日,美国费米实验室称,将转而研究超光速中微子,日本的T2K研究组也可能将重复OPERA的实验。同时,对于这些实验室的主业测量第三种中微子振荡模式的实验也在紧锣密鼓地进行。而被寄予厚望的中国大亚湾中微子振荡实验,在2012年就将全部投入运行。不知道中微子这个捣蛋鬼,还会不会带给我们别样的惊喜。超越光速能否成为另一桩公案,也许很快便有分晓。《中国科学报》 (2012-01-07 A2 新知)

导读

中微子是一类神秘的亚原子粒子,产生于多种核过程中。它们的名字“neutrino”来源于意大利语,字面意义是“微小的电中性粒子”,即它们不携带电荷。在宇宙的四种基本相互作用中,中微子只参与引力相互作用和弱相互作用(会引起次原子粒子的放射性衰变)。中微子几乎没有质量,它们在宇宙中飞行的速度几乎达到了光速。

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中微子几乎没有质量,它们在宇宙中飞行的速度几乎达到了光速。

在大爆炸之后的极短时间内就产生了无数的中微子。而且,新的中微子也一直在产生:在恒星内部的核反应中产生;在地球上的粒子加速器和原子反应堆中产生;在超新星爆发并塌缩的过程中产生,以及在放射性元素衰变中产生。根据耶鲁大学物理学家卡斯滕·西格的说法,这意味着宇宙中的中微子数量平均比质子多10亿倍。

尽管中微子无处不在,但它们对于物理学家来说仍然是一个谜,因为这些粒子非常难以捕获。中微子流能轻易地穿过大多数物质,就好像光线穿过透明的玻璃一样,因为它们几乎不与一般物质发生相互作用。据估计,此刻你身体上每平方厘米大约正有1000亿个中微子穿过,但你对此没有任何感觉。

发现隐形的粒子

中微子最初被认为是一个科学谜题的答案。在19世纪后期,研究人员对一种名为β衰变的现象困惑不已。在β衰变中,原子内部的原子核会自发地放射出电子。β衰变似乎违反了两个基础的物理学定律:能量守恒和动量守恒。在β衰变中,粒子的最终形态具有的能量似乎有点太少了,并且质子处于静止状态,而不是向电子的相反方向运动。直到1930年,奥地利物理学家沃尔夫冈·鲍利才提出,β衰变过程中有一种未知的电中性粒子会伴随电子产生,该粒子携带着缺失的能量和动能。

“我做了一件可怕的事情。我假设了一种无法被探测到的粒子,”鲍利对一位朋友如此说道。之所以这么说,是因为这种粒子就像幽灵一样,几乎不能与任何东西相互作用,而且几乎没有质量。

1956年,物理学家克莱德·科温和弗雷德里克·莱因斯等人在《科学》杂志上发表了他们对中微子的观测结果。他们建造了一个中微子探测器,并将其放置在南卡罗来纳州的萨凡纳河核电站的核反应堆外。他们的实验成功从反应堆中飞出的数百万亿中微子中捕获了一小部分。科温和莱因斯自豪地给鲍利发了一份电报,告诉他这一确认中微子存在的消息。在这一结果发表近40年后,莱因斯才因为发现中微子而获得了1995年的诺贝尔物理学家——当时科温已经去世。

不过,自此之后,中微子就开始一次次让科学家的期望落空。

太阳内部时时刻刻都在发生着核反应,产生的大量中微子不断地穿过地球。20世纪中期,研究人员建造了搜寻这些中微子的探测器,但他们的实验一直显示出数量上的差异,即仅仅检测到预测中三分之一的中微子。可能是天文学家关于太阳的模型出现了问题,也可能是发生了某些奇怪的事情。

物理学家最终意识到中微子可能具有三种不同的“味”,或者说三种类型。常规的中微子被称为电中微子,另外两种则是μ中微子和τ中微子。当中微子穿过太阳和地球之间的距离时,它们会在这三种味之间振荡。早期的实验在设计上只是为了寻找一种味,因此所探测到的数量上总是会少三分之二。

然而,只有具有质量的粒子才能经历这种振荡,这与之前认为中微子没有质量的观点相矛盾。尽管科学家仍然不知道这三种中微子的确切质量,但已经有实验证实,其中最重的中微子至少要比电子质量轻0.0000059倍。

中微子的新规则?

2011年,意大利OPERA实验——全称为“采用乳胶径迹装置的振荡项目”——的研究人员宣布,他们检测到了飞行速度超过光速的中微子。这个被认为不可能的消息立刻引起了全世界的轰动。尽管在媒体上广泛报道,但该研究结果受到了科学界的极大质疑。不到一年之后,物理学家发现,这一异常结果可能是由安装在测量中微子离开和返回时间的原子钟上的一个光纤发生松动所致。中微子又回到了遵守宇宙法则的粒子行列之中。

但是,中微子仍然有太多需要了解的地方。最近,费米国家加速器实验室的MiniBooNE实验研究人员提供了令人信服的证据,指出他们已经发现了一种新的中微子,称为惰性中微子。这一发现也证实了此前在美国洛斯阿拉莫斯的“液闪烁器中微子探测器”(Liquid Scintillator Neutrino Detector,简称LSND)实验中发现的异常现象。惰性中微子或许将颠覆所有已知的物理学,因为它们不适用于所谓的标准模型——该框架解释了除引力意外几乎所有已知的粒子和力。

如果MiniBooNE实验的结果最终被证实,“那将是绝对的大新闻;这超出了标准模型,需要全新的粒子……以及一个全新的分析框架,”美国杜克大学的粒子物理学家凯特·斯科尔伯格说道。

来源:新浪探索

编辑:井上菌

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