李淼:核查测量中的系统错误至关重要

2011-10-17 11:03 来源: 中国科学院
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  李淼 中科院理论物理研究所研究员,“国家杰出青年基金”获得者,博士生导师。

  从今年9月22日开始,就有一则消息开始在物理学界广泛流传:中微子在从欧洲核子研究中心(CERN)前往意大利格兰萨索地下实验室的“旅行”中,竟然比光早到了60纳秒(10-9秒)。如果实验结果被证实,将对现代物理学的一块基石——爱因斯坦狭义相对论带来极大冲击。因为狭义相对论认为,没有任何物质能跑过光速。一石激起千层浪,这一说法旋即在科学界以及普通民众中间引起强烈反响。

  整个实验工作的第一步始于欧洲核子研究中心内部一个充满氢气的大罐子。科学家们首先剥夺了氢原子的电子,使其成为一颗质子。随后,这些质子被一系列加速器接力加速,最后进入大型强子对撞机(LHC)设备内部运行。随后,一些质子被以10微秒的脉冲形式射向一个石墨靶标并产生一束介子脉冲。这些介子很快衰变成中微子,并穿越地层抵达格兰萨索的探测器。在这里,OPERA,即采用乳胶径迹装置的(中微子)振荡项目,所采用的乳胶寻迹设备可以感知中微子的抵达。

  根据现有理论,在从欧核中心飞抵OPERA设备的数毫秒间,其中一部分中微子将发生振荡变形,从μ中微子变为τ中微子,而OPERA实验的“初衷”正是对这种中微子振荡进行研究,试图追寻到τ中微子的踪迹。但出人意料的是,科学家们发现,中微子比光“跑”得快。

  测量中微子速度的难点在于如何精确地测量距离和时间。在该研究中,距离通过GPS(全球定位系统)测量得到,误差为20厘米;时间通过GPS和铯原子钟测量得到,精度是2.3纳秒(一秒的10亿分之一)。中微子实际传播了732公里,“旅行”时间为 0.0024秒,计算结果表明,中微子的速度是299798454米/秒,比真空中的光速299792458米/秒快5996米/秒。

  这一结果震惊了欧核中心的科学家。在仔细考虑了实验中其他各种因素的影响之后,他们认定,实验结果经得起检验,于是决定将其公开,恳请全球同行共同对实验结果进行验证。

  其实,在科学史上,这并非科学家们首次观察到“中微子比光跑得快”这一现象。此前,科学家们在1987年对SN1987A超新星进行的研究、费米实验室进行的MINOS(主注入式中微子振荡搜寻实验)等都表明,中微子似乎比光跑得快。但因为诸多原因,没有引发如此大的反响。

  SN1987A是科学家们于1987年发现的第一颗超新星,距离地球16.83万光年。事实上,它是在公元前16.81万年左右爆发的,但它的光直到1987年才抵达地球。在SN1987A爆发的光线来到地球的3小时前,世界各地有3台中微子探测器同时探测到一股中微子爆发,这似乎表明中微子比光快。

  而在2007年美国费米实验室进行的MINOS高能物理实验中,物理学家们让主注入器产生的中微子束穿过该实验室位于伊利诺伊斯州的近程探测装置,然后击中位于数百英里外位于明尼苏达州的远程探测装置。该实验当时得出的结论是:记录到中微子的运动速度超过光速。但实验结果的误差范围太大,因此并没有引起多大注意。

  如果OPERA实验确实探测到中微子的速度超过了光速,那么,对物理学理论可能产生的影响包括以下几点:1. 中微子不是普通快子(一种假设的亚原子粒子,质量为负,速度总是超过光速,不可能减小到或低于光速,其存在至今还没有得到实验证实),所以相对论肯定要修改。2. 可能地球上存在一个媒介,例如以地球质量为源的标量场,这样,洛伦兹对称性和规范对称性都被完全破坏了。3. 也有可能对称性被修改了,存在新的对称性;但引力理论需要做较大的修改,因为爱因斯坦等效原理可能不再成立。4. 因果性不太可能被破坏,从而穿越到过去是不可能的。5. 其他基本粒子理论也要做相应修改,有可能存在一个新理论与所有已知实验不矛盾,也可能根本不存在这样一个理论。

  当然,现在最值得怀疑的是实验本身可能存在的问题:距离真的测准了吗?时钟校准了吗?是不是其他效应造成的,如中微子束时间结构变形了,或者波导性质改变了(折射率有了微小的改变)?这就在警告我们:在得出一个与基本理论有关的结论之前,进一步核查测量中的系统错误非常关键。