《科学网中微子.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《科学网中微子.doc（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、科技日报“中微子超光速”研讨会专家发言摘要发布时间： 2011-10-17 | http:/ 2011年10月17日 来源： 科技日报 作者： 李淼：核查测量中的系统错误至关重要 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
2、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，从中微子变为中微子，而OPERA实验的“初衷”正是对这种中
3、微子振荡进行研究，试图追寻到中微子的踪迹。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
4、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MI
5、NOS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
6、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。（本报记者刘霞 整理） 吴岳良：研究超光速可能性要从本
7、质入手 吴岳良 中国科学院院士，理论物理研究所所长，博士生导师。 诺贝尔物理学奖获得者卡罗卢比亚在不久前的诺贝尔北京论坛上评论说，中微子振荡实验（OPERA）很重要，令科学家意外发现了中微子可以超越光速，但他认为他们过早地发表了结果，应该进一步研究，考虑各种可能性，更加认真地对待。 欧洲核子中心OPERA实验的研究人员自己也表示要继续研究系统误差，这个实验出现的反常很可能是系统误差引起的，不排除用系统误差进行解释。而我要讲的和强调的是：我们所有实验和理论研究都是朝着发现新现象和提出新理论，超越爱因斯坦和前人研究成果这个目标而努力的，爱因斯坦本身就超越了牛顿。我们知道，所有实验都是在一定条件下做
8、的，当实验条件和环境等改变以后，物理现象也可能就会随之发生变化，这是科学家们在研究时的重要出发点和探索目标。 众所周知，相对论和量子论是上世纪建立的两个奠基性理论。爱因斯坦的贡献除了狭义相对论外还有广义相对论。狭义相对论实际上是纯运动学的理论，广义相对论是动力学理论，回答粒子受力或物质之间有了相互作用以后是怎么加速运动或改变运动状态的。狭义相对论的运动学理论加上量子力学，成功地建立了量子场论，并由此描述所有三种基本相互作用（即电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用）而建立起粒子物理标准模型。参与电磁相互作用而稳定存在的粒子有光子、电子和夸克，只参加弱相互作用而稳定存在的粒子就是中微子，还有一个稳
9、定存在的粒子是由参加强相互作用的夸克而形成的质子。需要一提的是狭义相对论中用到的洛伦兹变换，它本身是一个数学上的坐标变换，虽然其在爱因斯坦之前已经存在，但爱因斯坦的贡献在于解释洛伦兹变换所隐含的物理含义。 爱因斯坦认识到洛伦兹变换不只是数学上的四维坐标变换，当把其中的一维作为时间，其变换就把时间与空间联系了起来，同时需引进一个对应于速度的物理量，而当把这个速度物理量看做是与坐标无关的不变常数时，时间与空间之间的变换关系就将被唯一确定下来，这时洛伦兹变换就成为一个更基本的时空变换，若要求物理规律在洛伦兹变换下不变，那么，洛伦兹变换意味着时空的基本对称性，这个对称性称为洛伦兹对称性，而不变的速度常
10、数就是大家熟知的光速。由此，爱因斯坦超越了牛顿关于时间与空间无关的绝对时空观。实际上，空间本身的对称性我们早已熟悉，如空间的转动对称性，它导致角动量守恒。事实上，每一个对称性都与一个守恒律相联系，如时间平移不变性与能量守恒联系起来，空间平移不变性与动量守恒联系起来。而洛伦兹变换除了包括空间本身的转动对称性外，还反映了时间与空间之间的对称性。如在一参考系里同时发生而不在同一地点发生的事情，在另一以高速匀速运动的参考系里的观察者看来却不再是同时发生。这就是说，空间与时间之间实际是分不开的，它们是相互关联的。只有当洛伦兹变换的对称性受到破坏，才有可能发生超光速现象。而洛伦兹变换对称性和光速不变成立的
11、条件，是在四维时空和没有相互作用的真空中，物质运动所遵循的规律。大家知道，光在介质中的速度与真空中的速度是不一样的，这是因为光与物质相互作用引起的。从目前认识到的相互作用和基本粒子，其相互作用都是由粒子的内禀规范对称性来支配，并以量子场论作为理论基础来描述，因此物理规律满足洛伦兹变换对称性，其理论预言是不会有超光速现象发生的。 为此，若要研究超光速的可能性，就要从本质上来研究。由目前的相互作用和基本粒子建立的粒子物理标准模型无法解释中微子的超光速现象，那么有没有新的相互作用和新的物态，特别是与中微子之间而不是与其他物质的特殊相互作用，这是需要进一步研究的问题。同时，研究时空的洛伦兹变换对称性的
12、破坏，必须与粒子之间相互作用的内禀对称性一起考虑，只有把它们联系在一起研究，对中微子是否可能有超光速现象的认识才会更深入。我们知道，在粒子物理标准模型中，中微子与带电轻子（电子为其中之一）一起构成一个新的内禀对称性，即所谓的同位旋对称性（类似质子与中子之间的对称性），这样自然就会提出一个新问题，为什么我们没有观察到其他轻子（电子）的超光速现象？这当然不再是一个能简单回答的问题。 在这个意义上，实际上我们所有的研究一直是在挑战能不能超越爱因斯坦、超越现有理论。大家知道，有关暗能量的问题，今年的诺贝尔奖颁给了宇宙加速膨胀的发现，这表明宇宙中存在一种新的物态，这种可能的物态就是所谓的暗能量，它的存在
13、本质上也表明了要超越爱因斯坦。因此，要超越爱因斯坦的狭义相对论，就必须研究超越狭义相对论成立的条件，如超越四维时空，重新认识真空以及引入新的特殊相互作用等，必须有突破性的新想法。（本报记者张巍巍 整理） 陈国明：我国散裂中子源或可担此任 陈国明 中科院高能物理所研究员，“973”项目科学家，博士生导师。 这类实验的难点和关键点都在于对误差的把握和控制。此次实验采用GPS（全球定位系统）和铯原子钟测量的方式对时间进行同步，误差只有2.3纳秒（一纳秒等于十亿分之一秒）；采用GPS对距离进行测量，误差只有20厘米。可以说在时间和距离上，其精度是可靠的。 中微子是一种极为特殊的粒子，只参与非常微弱的弱
14、相互作用，具有最强的穿透力，在宇宙中大量存在。除了大型强子对撞机（LHC）发射出的中微子外，其他中微子也可能穿透地球到达格兰萨索的探测器。但格兰萨索国家实验室公布的实验数据中并没有提到本底中微子通量和发出的中微子数量的比例，也没有两者相关性的介绍。将这种还未达到正式发表标准的论文公布出来的做法是不严谨的，其实验结果也是值得怀疑的。这一结果还需要由其他实验室进行重复实验才有可能被证实。 这或许为中国提供了一个很好的机遇。目前由中国科学院高能物理研究所承担的中国散裂中子源项目已经破土动工，可以利用该装置产生的高流强脉冲质子打靶产生中微子。这样的中微子流强会比本底的流强高得多。如果这一流强能超过本底
15、的100倍，实验结果将会更为可信。比如，把这样的中微子流发射到1400公里以外的西昌景屏山，在山洞里安装一个万吨量级的中微子探测器。届时，可以通过束流和测得的信号的周期验证中微子源与探测器信号的相关性。例如，以1秒的周期发射一次，再以10秒的周期发射一次，以这样的方法来确定两者是否存在相关性。如果我们的实验可以成功，其精度将会更高，结果也将会更为可信。 （本报记者 王小龙 整理） 马伯强 北京大学物理学院教授，“理论物理长江特聘教授”，博士生导师。 物理学是一门科学，这门科学非常重要的特点就是它是实验科学，通俗来说，就是我们的思想是否正确要通过实验来检验。需要强调的是，本身科学家的研究就是为了
16、探索并超出前人，而科学研究的目标也是要给人提供新的知识。这种知识可以是新现象，或是新的了解和认识，也有可能说明原来的理论在某些地方需要修正和突破。所以从这个角度来说，“中微子超光速”事件公开之后，虽然在社会上和学界出现各种说法，甚至异议，但我认为这是科学探索活动之中一个非常正常的过程。而且实验组这次公布实验过程，与往常也不一样。以往在召开新闻发布会时，文章要向杂志社正式投稿。出版相当于一个正式注册，即科学研究的法律程序。但他们这次十分反常，其一，他们是在我们物理学家内部的网络，相当于BBS上，公布了相关文章；其二，他们是在科学家在场的情况下讲出了这些内容，但到目前为止没有正式投稿，这也是他们内部投票作出的决定。他们这样做
