中微子疑案悬而未决 中国专家受访解读

2011-11-28 08:34 来源: 科学时报
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  在一家酒吧门口,酒保说:“我们不允许比光速还快的中微子进到这儿。”话刚落,他看到一颗中微子来到了酒吧门口。

  最近,这个笑话在物理学界流传开来。今年9月,欧洲原子能研究机构(CERN)与大型中微子振荡实验(OPERA)项目组发布消息,中微子的速度快于光速。这种微粒子有可能穿越时间,才让酒保看到中微子的到来。

  两个月来,许多物理学家表示对实验结果心存质疑。近日,OPERA研究人员发布了新产生的实验数据,再次确认了此前轰动一时的“中微子超光速”实验结果。

  然而,多名物理学家仍对此结果表示不信服,中微子疑案仍然悬而未决。

修正最重要的系统误差

  “上一次实验结果实际上只是一场意外。”中科院理论物理所研究员李淼哈哈大笑起来。

  2005年,OPERA项目开始从位于日内瓦的CERN将高能中微子束送到730公里外的意大利地下Gran Sasso实验室,试图对中微子振荡现象进行探索。研究人员用10.5微秒的脉冲质子束来产生中微子,在数据分析中,他们意外地发现中微子比光速快了60纳秒。

  然而,面对难以置信的实验结果,物理学家首先考虑到的是“误差”。“发射中微子的束团太长。”中科院高能物理所研究员曹俊称,“仪器探测到一个中微子的时候,我们并不知道它是束团中的哪一个质子产生的。”

  这的确是那次毫无准备的实验中,最受诟病的系统误差。

  今年10月22日起,为了消除这个误差,OPERA实验特地将中微子束团缩短到3纳秒,并相隔524纳秒发出。这样的改进使每个能探测到的中微子都能找到准确的发射时间。

  “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’和物质发生相互作用,所以太难检测到它。”李淼和基本粒子打了多年交道,谙熟中微子的个性。

  因此,11月6日结束时,探测器只测到20个中微子。与原来的实验结果一致,新的实验证明,中微子比光快62.1纳秒,误差为3.7纳秒。

  曹俊认为,这项改进的确增加了结果的可靠性,但是,仍有大量的误差来源存在疑点。“如果说,上次实验后,我认为99%是实验错了,这次我认为90%实验错了。”

  李淼称,这次实验没有改进其他项目,只是从技术上改进了大家最关心的问题。

 
“他们没有说服我”

  “他们仍然没能说服我。”这是清华大学物理系教授陶嘉琳的第一反应。

  陶嘉琳曾作为一名实验物理学家在费米实验室和CERN工作过。“尽管修正了我们此前最关心的问题,但是,GPS设备的精度让我怀疑。”她说。

  其实,早在4年前,费米实验室的研究者们发现中微子速度超过光速400多纳秒,但被研究者们一致认为是GPS带来的误差。而并没有进行更深入的研究。

  “后来的实验,CERN也没有对可能产生问题的GPS进行更换。”陶嘉琳说,“这是一项很复杂的工程。”

  正因为如此,一些物理学家猜测,CERN将带着大量系统误差的结果发布出来,目的之一便是为了告诉项目方:是更换精度更高设备的时候了。

寻找中微子的魔幻性质

  就在实验物理学家忙着进行独立实验时,一些理论物理学家认为,也许中微子具有某种“魔幻”性质,才让它们看上去跑过了光速。

  “第一次实验后的几天内,已经有20篇左右的理论文章试图解释这个现象。”李淼说,“多数是修改中微子的色散关系,也就是速度和能量的关系。”

  中科院高能物理所研究员张新民提出,地球附近聚集的暗能量与中微子相互作用,使中微子在暗能量中传播时超光速了。

  “这是基于我们在2003年提出的‘中微子暗能量’模型。”他说。

  另一个模型则认为,除了长度、宽度、高度、时间四维外,还存在额外维度。中微子从额外维度抄了近路,才得以使经过计算的速度超过光速。

  然而,在物理学家们看来,这些解释还不足以成为完整的理论体系,仅仅是一些模型。

  “目前不少理论猜测还显得很牵强,不足为凭。”曹俊认为。

  目前,物理学界都在翘首等候美国费米实验室对CERN实验结果的验证,期待为中微子疑案盖棺定论。