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中微子 中微子 組成自然界的最基本的粒子之一  中微子又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號ν表示。 中微子個頭小、不帶電，可自由穿過地球，自旋為1/2，質(zhì)量非常輕（有的小于電子的百萬分之一），以接近光速運動，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的“隱身人”?？茖W(xué)界從預(yù)言它的存在到發(fā)現(xiàn)它，用了20多年的時間。 2013年11月23日，科學(xué)家首次捕捉高能中微子，被稱為宇宙'隱身人'。他們利用埋在南極冰下的粒子探測器，首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。 基本信息
 科普中國權(quán)威合作機構(gòu) 羅曉峰副教授審閱專家 華中師范大學(xué) 發(fā)現(xiàn)歷程 來源 中微子的發(fā)現(xiàn)來自19世紀末20世紀初對放射性的研究。研究者發(fā)現(xiàn)，在量子世界中，能量的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的。不僅原子的光譜是不連續(xù)的，而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續(xù)的。這是由于原子核在不同能級間躍遷時釋放的，是符合量子世界的規(guī)律的。奇怪的是，物質(zhì)在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續(xù)的，而且電子只帶走了總能量的一部分，還有一部分能量失蹤了。物理學(xué)上著名的哥本哈根學(xué)派領(lǐng)袖尼爾斯·玻爾據(jù)此認為，β衰變過程中能量守恒定律失效。  中微子 1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個假說，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損。這種粒子與物質(zhì)的相互作用極弱，以至儀器很難探測得到。未知粒子、電子和反沖核的能量總和是一個確定值，能量守恒仍然成立，只是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，與會者中有海森堡、泡利、居里夫人等，泡利在會上提出了這一理論。當(dāng)時泡利將這種粒子命名為“中子”，最初他以為這種粒子原來就存在于原子核中，1931年，泡利在美國物理學(xué)會的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在于原子核中，而是衰變產(chǎn)生的。泡利預(yù)言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被發(fā)現(xiàn)后，意大利物理學(xué)家費米將泡利的“中子”正名為“中微子”。 1933年，意大利物理學(xué)家費米提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用—弱相互作用。β衰變就是核內(nèi)一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質(zhì)子和一個中微子。他的理論定量地描述了β射線能譜連續(xù)和β衰變半衰期的規(guī)律，β能譜連續(xù)之謎終于解開了。 美國物理學(xué)家柯萬（Cowan）和萊因斯（Reines）等第一次通過實驗直接探測到了中微子。他們的實驗實際上探測的是核反應(yīng)堆β衰變發(fā)射的電子和反中微子，該電子反中微子與氫原子核（即質(zhì)子）發(fā)生反β衰變，在探測器里形成有特定強度和時間關(guān)聯(lián)的快、慢信號，從而實現(xiàn)對中微子的觀測。他們的發(fā)現(xiàn)于1995年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。 1956年，美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，萊因斯獲1995年諾貝爾獎。 1962年，美國萊德曼，舒瓦茨，斯坦伯格發(fā)現(xiàn)第二種中微子——μ中微子，獲1988年諾貝爾獎。 1968年，美國戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤，獲2002年諾貝爾獎。 1985年，日本神岡實驗和美國IMB實驗發(fā)現(xiàn)大氣中微子反常現(xiàn)象。 1987年，日本神岡實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。 1989年，歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。1995年，美國LSND實驗發(fā)現(xiàn)可能存在第四種中微子——惰性中微子。 1998年，日本超級神岡實驗以確鑿證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象。日本梶田隆章獲2015年諾貝爾獎。 2000年，美國費米實驗室發(fā)現(xiàn)第三種中微子，τ中微子。 2001年，加拿大SNO實驗證實失蹤的太陽中微子轉(zhuǎn)換成了其它中微子。最早提出建設(shè)思路的是華裔物理學(xué)家陳華生博士Herbert H. Chen（美國普林斯頓大學(xué)理論物理博士學(xué)位，加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)家）。加拿大阿瑟·麥克唐納獲2015年諾貝爾獎。 2002年，日本KamLAND實驗用反應(yīng)堆證實太陽中微子振蕩。 2003年，日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振蕩。 2006年，美國MINOS實驗進一步用加速器證實大氣中微子振蕩。 2007年，美國費米實驗室MiniBooNE實驗否定了LSND實驗的結(jié)果。 研究結(jié)果 粒子物理的研究結(jié)果表明，構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本的粒子有12種，包括了6種夸克（上、下、奇、粲、底、頂，每種夸克有三種色，還有以上所述夸克的反夸克），3種帶電輕子（電子、μ子和τ子）和3種中微子（電子中微子，μ中微子和τ中微子）而每一種中微子都有與其相對應(yīng)的反物質(zhì)。中微子是1930年奧地利物理學(xué)家泡利為了解釋β衰變中能量似乎不守恒而提出的，1933年正式命名為中微子，1956年才被觀測到。  中微子 中微子是一種基本粒子，不帶電，質(zhì)量極小，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，在自然界廣泛存在。太陽內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生大量中微子，每秒鐘通過我們眼睛的中微子數(shù)以十億計。 2021年11月29日，由美國科學(xué)家主導(dǎo)的國際向前搜索實驗（FASER）小組，通過分析歐洲大型強子對撞機（LHC）提供的數(shù)據(jù)，首次在LHC上發(fā)現(xiàn)了中微子的“蛛絲馬跡”。最新研究向深入理解中微子這種難以捉摸粒子的特性及其在宇宙中所起作用邁出了重要一步。[2] 性質(zhì) 粒子間的各種弱相互作用都會產(chǎn)生中微子，而弱相互作用速度緩慢正是造就了恒星體內(nèi)“質(zhì)子-質(zhì)子”反應(yīng)的主要障礙，這也解釋了為什么中微子能輕易的穿過普通物質(zhì)而不發(fā)生反應(yīng)。 太陽體內(nèi)有弱相互作用參與的核反應(yīng)每秒會產(chǎn)生10的38次方個中微子，暢通無阻的從太陽流向太空。每秒鐘會有1000萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體，甚至在夜晚，太陽位于地球另一邊時也一樣。 探測 由于中微子與其他物質(zhì)的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數(shù)量的中微子。為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測儀器時常設(shè)立在地底下。 2013年11月21日由美國國家科學(xué)基金會提供的照片顯示的是位于南極站的“冰立方天文臺”，這是世界上最大的中微子探測器。 多國研究人員21日在美國《科學(xué)》雜志上說，他們利用埋在南極冰下的粒子探測器，首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。科學(xué)家評論說，中微子天文學(xué)從此進入新時代。中微子是一種神秘的基本粒子，不帶電，質(zhì)量極小，幾乎不與其他物質(zhì)作用，在自然界廣泛存在。它能自由地穿過人體、墻壁、山脈乃至整個行星，難以捕捉和探測，因而被稱為宇宙中的“隱身人”。 速度 在基本粒子標準模型中，中微子的質(zhì)量被假設(shè)為零，所以中微子都以光速運行。然而，最近幾年對中微子振蕩的確認已說明中微子的質(zhì)量雖小，卻不為零，因此中微子的運行速度自然要小于光速。 科學(xué)家首次對中微子的速度進行測量在1980年代早期，當(dāng)時科學(xué)家透過從脈沖質(zhì)子束射擊而產(chǎn)生的脈沖π介子束來測量中微子的速度。當(dāng)帶電的π介子衰變時，就會產(chǎn)生μ子及（或反）μ子中微子和（或反）電子中微子。透過長基線的設(shè)計，由遠方的加速器以此種方式產(chǎn)生中微子，經(jīng)過地殼的作用削減背景事例，來進行中微子振蕩的研究。透過檢測加速器產(chǎn)生粒子，與中微子出現(xiàn)在偵測器的時間差，就可測量出中微子的速度。結(jié)果顯示中微子的速度是光速與假設(shè)相符。后來當(dāng)這個實驗在其他地方重復(fù)時，測量中微子的方法改用了MINOS偵測器，測出了一顆能量為3 GeV的中微子的速度達1.000051(29) c。由于這個速度的中間值比光速還要快，科學(xué)家當(dāng)時認為實驗的不確定性太大，而實際上中微子的速度應(yīng)該不可能超過光速。這個實驗設(shè)定了50 MeV的μ子中微子的質(zhì)量上限。 超新星SN 1987A 同樣的觀測不單在地球上進行，當(dāng)天文學(xué)家觀測超新星SN 1987A的中微子爆發(fā)時，世界各地有三臺中微子探測器各自探測到5到11個中微子。有趣的是：這些探測器是在SN 1987A爆發(fā)的光線來到地球之前3小時偵測到的。對于這個現(xiàn)象，當(dāng)時科學(xué)家把它解說為因為“中微子于超新星爆發(fā)時比可見光更早被發(fā)射出來，而不是中微子比光速快”，而這個速度亦與光速接近。然而，對于擁有更高能量的中微子是否仍然符合標準模型擴展仍然有爭議，當(dāng)中微子違反了洛倫茲不變性而發(fā)生振蕩，其速度有可能會比光速還要快。 2011年9月，位于意大利格蘭薩索國家實驗室（LNGS）的OPERA實驗宣布觀測結(jié)果，并刊登于英國《自然》雜志。研究人員發(fā)現(xiàn)，中微子的移動速度比光速還快。根據(jù)這項對μ子中微子的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均能級達到17 GeV的μ子中微子從CERN走到LNGS，所需的時間比光子在真空移動的速度還要快60.7納秒，即以光速的1.0000248倍運行，是實驗的標準差10納秒的六倍，“比光速快6公里”，是非常顯著的差異。如果此結(jié)果確定證實的話，必然會在物理學(xué)界引起極大轟動。其中一方的說法是，如果真的有如此大的差異，從超新星飛來的中微子應(yīng)該早到數(shù)年而不是數(shù)小時。為此，合作進行實驗的歐洲粒子物理研究機構(gòu)特地舉辦了一場網(wǎng)絡(luò)發(fā)表會，詳細說明他們的實驗的方法以及各種誤差的估算，同時邀請其他的實驗機構(gòu)能夠重復(fù)相同的實驗，來作為此結(jié)果的驗證。然而，在2012年2月，CERN發(fā)現(xiàn)是連接GPS和電腦光纖的接頭松動造成了中微子超光速的假象，但同時另一個與GPS信號同步的振蕩器故障又可能導(dǎo)致實驗結(jié)果低估中微子的速度。為此將在2012年5月重新進行試驗進行檢測，在此之前，Opera的實驗室中心主任已經(jīng)引咎辭職。2012年5月，由諾貝爾獎得主卡洛·魯比亞領(lǐng)導(dǎo)的團隊ICARUS重新測量了中微子速度，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并沒有超過光速。 觀測 中微子只參與非常微弱的弱相互作用和引力相互作用，具有最強的穿透力，能穿越地球直徑那么厚的物質(zhì)。在100億個中微子中只有一個會與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此中微子的檢測非常困難。正因為如此，在所有的基本粒子，人們對中微子了解最晚，也最少。實際上，大多數(shù)粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核反應(yīng)堆發(fā)電（核裂變）、太陽發(fā)光（核聚變）、天然放射性（β衰變）、超新星爆發(fā)、宇宙射線等等。宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，大約為每立方厘米100個。1998年，日本超級神岡（Super-Kamiokande）實驗以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質(zhì)量。此后，這一結(jié)果得到了許多實驗的證實。中微子振蕩尚未完全研究清楚，它不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關(guān)，例如宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱很有可能是由中微子造成。 物理性質(zhì) 中微子是一種難以捉摸的基本粒子，有三種類型，即電子中微子、μ中微子和τ中微子，分別對應(yīng)于相應(yīng)的輕子：電子、μ子和τ子。所有中微子都不帶電荷，不參與電磁相互作用和強相互作用，但參與弱相互作用和引力相互作用。它們質(zhì)量非常小，不帶電。太陽、宇宙線、核電站、加速器等都能產(chǎn)生大量中微子。中微子的探測比較困難，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，被稱為“鬼微子”，它們可以輕松地穿過人體、建筑，甚至地球。所以，中微子在概念被提出20幾年后，科學(xué)家才在實驗室中觀測到這種神秘粒子的存在。 以前人們以為中微子是沒有質(zhì)量的，永遠以光速飛行。1998年日本的超級神岡實驗發(fā)現(xiàn)它們可以從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，稱為中微子振蕩，間接證明了它們具有微小的質(zhì)量。不過這個質(zhì)量非常非常小，1998年之前還沒有測出來，它們的飛行速度非常接近光速，1998年之前也沒有測出與光速的差別。由于它很難探測，是我們了解最少的基本粒子，現(xiàn)在還存在大量的未解之謎。正因為如此，在其它粒子都有大量證據(jù)證明嚴格遵守相對論時，也有不少人懷疑中微子會不會是個特例？ 謎團 中微子有大量謎團尚未解開。首先它的質(zhì)量尚未直接測到，大小未知；其次，中微子與它的反粒子是否為同一種粒子也不得而知；第三，中微子振蕩還有兩個參數(shù)未測到，而這兩個參數(shù)很可能與宇宙中反物質(zhì)缺失之謎有關(guān)；第四，它有沒有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球物理的交叉與熱點學(xué)科。 研究范圍 獲得來自恒星內(nèi)部的信息 中微子天文學(xué)是天體物理的一個分支，主要研究恒星上可能發(fā)生的中微子過程以及這些過程對恒星的結(jié)構(gòu)和演化的作用。中微子是不帶電的靜止質(zhì)量很小的基本粒子。它和一般物質(zhì)的相互作用非常弱，除特殊情況外，在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的中微子能夠不受阻礙地跑出恒星表面，因此探測來自恒星內(nèi)部的中微子可以獲得有關(guān)其內(nèi)部的信息。最早的研究集中在太陽。太陽的能源主要來自內(nèi)部的質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，因而會產(chǎn)生大量的中微子。美國布魯克海文實驗室的戴維斯等人用大體積四氯化碳作靶，利用37Cl俘獲中微子的反應(yīng)來探測太陽的中微子發(fā)射率。實測的結(jié)果遠遠小于恒星演化理論的太陽標準模型的預(yù)期值，這就是著名的太陽中微子問題。中微子振蕩可以很好的解決這個問題。 更多方面 中微子還大量地產(chǎn)生于超新星爆發(fā)時和宇宙中其它物理過程中。在日本的一個礦井和美國的俄亥俄用一個巨大的水容器來探測切連可夫輻射，從而探測到了來自超新星SN 1987A的中微子輻射。歐洲共同體的GALLEX和俄國的一個裝置利用中微子和鎵的相互作用來探測中微子。 研究過程 中微 1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出存在中微子的假設(shè)。1956年，柯溫（C.L.Cowan）和弗雷德里克·萊因斯利用核反應(yīng)堆產(chǎn)物的β衰變產(chǎn)生反中微子，觀測到了中微子誘發(fā)的反應(yīng)： 這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據(jù)。 泡利的中微子假說和費米的β衰變理論雖然逐漸被人們接受，但終究還蒙上了一層迷霧：誰也沒有見到中微子。就連泡利本人也曾說過，中微子是永遠測不到的。在泡利提出中微子假說的時候，我國物理學(xué)家王淦昌正在德國柏林大學(xué)讀研究生，直到回國，他還一直關(guān)心著β衰變和檢驗中微子的實驗。1941年，王淦昌寫了一篇題為《關(guān)于探測中微子的一個建議》的文章，發(fā)表在次年美國的《物理評論》雜志上。1942年6月，該刊發(fā)表了美國物理學(xué)家艾倫根據(jù)王淦昌方案作的實驗結(jié)果，證實了中微子的存在，這是這一年中世界物理學(xué)界的一件大事。但當(dāng)時的實驗不是非常成功，直到1952年，艾倫與羅德巴克合作，才第一次成功地完成了實驗，同一年，戴維斯也實現(xiàn)了王淦昌的建議，并最終證明中微子不是幾個而是一個。 在電子俘獲試驗證實了中微子的存在以后，進一步的工作就是測量中微子與質(zhì)子相互作用引起的反應(yīng)，直接探測中微子。由于中微子與物質(zhì)相互作用極弱，這種實驗是非常困難的。直到1956年，這項實驗才由美國物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯完成。首先實驗需要一個強中微子源，核反應(yīng)堆就是合適的源。這是由于核燃料吸收中子后會發(fā)生裂變，分裂成碎片時又放出中子，從而使其再次裂變。裂變碎片大多是β放射性的，反應(yīng)堆中有大量裂變碎片，因此它不僅是強大的中子源，也是一個強大的中微子源。因為中微子反應(yīng)幾率很小，要求用大量的靶核，萊因斯選用氫核（質(zhì)子）作靶核，使用了兩個裝有氯化鎘溶液的容器，夾在三個液體閃爍計數(shù)器中。這種閃爍液體是是一種在射線下能發(fā)出熒光的液體，每來一個射線就發(fā)出一次熒光。由于中微子與構(gòu)成原子核的質(zhì)子碰撞時發(fā)出的明顯的頻閃很有特異性，從而證實了中微子的存在。為此，他與發(fā)現(xiàn)輕子的美國物理學(xué)家馬丁·珀爾分享了1995年諾貝爾物理學(xué)獎。 理論上講，中微子的假設(shè)非常成功，但要觀察它的存在卻非常困難。由于它的質(zhì)量小又不帶電荷，與其它粒子間的相互作用非常弱，因而很難探測它的存在。1953年，美國洛斯阿拉莫斯科學(xué)實驗室的物理學(xué)家萊因斯和柯萬領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)小組著手進行這種艱難的尋覓。1956年，他們在美國原子能委員會所屬的佐治亞州薩凡納河的一個大型裂變反應(yīng)堆進行探測，終于探測到反中微子。 1962年又發(fā)現(xiàn)另一種反中微子。在泡利提出中微子假說以后，經(jīng)過26年，人們才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人認為中微子永遠觀測不到的悲觀觀點。 中微子是哪一味？ 每一種中微子都對應(yīng)一種帶電的輕子——電子中微子對應(yīng)電子，μ中微子對應(yīng)μ子，同理，τ（希臘字母，普通話念“濤”）中微子對應(yīng)τ子。 電子中微子 電子與原子相互作用，將能量一下子釋放出來，會照亮一個接近球形的區(qū)域。 μ中微子 μ子不像電子那樣擅長相互作用，它會在冰中穿行至少1千米，產(chǎn)生一個光錐。 τ中微子 τ子會迅速衰變，它的出現(xiàn)和消失會產(chǎn)生兩個光球，被稱為“雙爆”。 相關(guān)研究 為了研究中微子的性質(zhì)，各國建造了大量探測設(shè)施，比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測裝置、意大利的“宏觀”、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測設(shè)施以及美國在南極地區(qū)建造的中微子觀測裝置。 1994年，美國威斯康星大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家在南極冰原以下800米深處安裝輻射探測器，以觀測來自宇宙射線中的中微子。使用南極冰原作為探測器的安置場所，是因為冰不產(chǎn)生自然輻射，不會對探測效果產(chǎn)生影響。此外，把探測器埋到深處，是為了過濾掉宇宙中除了中微子之外的其他輻射。 宇宙中微子的產(chǎn)生有幾種方式。一種是原生的，在宇宙大爆炸產(chǎn)生，現(xiàn)在為溫度很低的宇宙背景中微子。第二種是超新星爆發(fā)巨型天體活動中，在引力坍縮過程中，由質(zhì)子和電子合并成中子過程中產(chǎn)生出來的，SN1987A中微子就是這一類。第三種是在太陽這一類恒星上，通過輕核反應(yīng)產(chǎn)生的十幾MeV以下的中微子。第四種是高能宇宙線粒子射到大氣層，與其中的原子核發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生π、K介子，這些介子再衰變產(chǎn)生中微子，這種中微子叫“大氣中微子”。五是宇宙線中高能質(zhì)子與宇宙微波背景輻射的光子碰撞產(chǎn)生π介子，這個過程叫“光致π介子”， π介子衰變產(chǎn)生高能中微子，這種中微子能量極高。第六種是宇宙線高能質(zhì)子打在星體云或星際介質(zhì)的原子核上產(chǎn)生核反應(yīng)生成的介子衰變?yōu)橹形⒆?，特別在一些中子星、脈沖星等星體上可以產(chǎn)生這種中微子。第七種是地球上的物質(zhì)自發(fā)或誘發(fā)裂變產(chǎn)物β衰變產(chǎn)生的中微子，這類中微子是很少的。 泡利提出中微子假說時，還不知道中微子有沒有質(zhì)量，只知道即使有質(zhì)量也是很小的，因為電子的最大能量與衰變時放出的總能量很接近，此時中微子帶走的能量就是它的靜止能量，只能是很小的。1998年6月，日本科學(xué)家宣布他們的超級神岡中微子探測裝置掌握了足夠的實驗證據(jù)說明中微子具有靜止質(zhì)量，這一發(fā)現(xiàn)引起廣泛關(guān)注。來自24個國家的350多名高能物理學(xué)家云集日本中部岐阜縣的小鎮(zhèn)神岡町，希望親眼目睹實驗過程。美國哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家謝爾登·格拉休指出：“這是最近幾十年來粒子物理領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一。” 超級神岡探測器主要用來研究太陽中微子。太陽是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量來源。事實 上，到達地球太陽光熱輻射總功率大約是170萬億千瓦，只占太陽總輻射量的22億分之一。愛因斯坦相對論的質(zhì)能關(guān)系式使人們了解了核能，而太陽正是靠著核反應(yīng)才可以長期輻射出巨大能量，這就是太陽能源的來源。在太陽上質(zhì)子聚變和其他一些輕核反應(yīng)的過程中不僅釋放出能量，而且發(fā)射出中微子。人們利用電子學(xué)方法或者放射化學(xué)的方法探測中微子。1968年，戴維斯發(fā)現(xiàn)探測到的太陽中微子比標準太陽模型的計算值少得多?？茖W(xué)還無法解釋太陽中微子的失蹤之謎，也許是因為中微子還有許多我們不了解的性質(zhì)。 這個探測裝置由來自日本和美國的約120名研究人員共同維護。他們在神岡町地下一公里深處廢棄的鋅礦坑中設(shè)置了一個巨大水池，裝有5萬噸水，周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。當(dāng)中微子通過這個水槽時，由于水中氫原子核的數(shù)目極其巨大，兩者發(fā)生撞擊的幾率相當(dāng)高。碰撞發(fā)生時產(chǎn)生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大，并通過轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號送入計算機，供科學(xué)家們分析。 已經(jīng)確認的有三種中微子：電子中微子、μ（繆子）中微子和τ（陶子）中微子。日本科學(xué)家設(shè)計的這個裝置主要是用來探測宇宙射線與地面上空20公里處的大氣層中各種粒子發(fā)生碰撞產(chǎn)生的繆子中微子。研究人員在6月12日出版的美國《科學(xué)》雜志上報告說，他們在535天的觀測中捕獲了256個從大氣層進入水槽的μ中微子，只有理論值的百分之六十；在實驗地背面的大氣層中產(chǎn)生、穿過地球來到觀測裝置的中微子有139個，只剩下理論值的一半。他們據(jù)此推斷，中微子在通過大氣和穿過地球時，一部分發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，即從一種形態(tài)轉(zhuǎn)為另一種，變?yōu)闄z測不到的τ中微子。根據(jù)量子物理的法則，粒子之間的相互轉(zhuǎn)化只有在其具有靜止質(zhì)量的情況下才有可能發(fā)生。其結(jié)論不言而喻：中微子具有靜止質(zhì)量。研究人員指出，這個實驗結(jié)果在統(tǒng)計上的置信度達到百分之九十九點九九以上。 這個實驗不能給出中微子的準確質(zhì)量，只能給出這兩種中微子的質(zhì)量平均值之差－－大約是電子質(zhì)量的一千萬分之一，這也是中微子質(zhì)量的下限。中微子具有質(zhì)量的意義卻不可忽視。一是如前所述，由于宇宙中中微子的數(shù)量極其巨大，其總質(zhì)量也就非常驚人。二是在現(xiàn)有的量子物理框架中，科學(xué)家用假設(shè)沒有質(zhì)量的中微子來解釋粒子的電弱作用；因此如果它有質(zhì)量，目前在理論物理中最前沿的大統(tǒng)一理論模型（一種試圖把粒子間四種基本作用中的三種統(tǒng)一起來的理論）就需要重建。 2020年11月25日，英國《自然》雜志發(fā)表的一項天體物理學(xué)最新研究，科學(xué)家報告了太陽次要聚變碳氮氧循環(huán)所產(chǎn)生中微子的首個直接實驗證據(jù)。測量這些中微子可以為人類了解太陽結(jié)構(gòu)和太陽核心內(nèi)的元素豐度提供重要線索。[1] 研究方向 從19世紀末的三大發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)過去了100年。在這一個世紀，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，人類對自然有了進一步的認識。但是仍有許多自然之謎等著人們?nèi)ソ鉀Q。其中牽動全局的問題是粒子物理的標準模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。 中微子是一門與粒子物理、核物理以及天體物理的基本問題息息相關(guān)的新興分支科學(xué)，人類已經(jīng)認識了中微子的許多性質(zhì)及運動、變化規(guī)律，但是仍有許多謎團尚未解開。中微子的質(zhì)量問題到底是怎么回事？中微子有沒有磁矩？有沒有右旋的中微子與左旋的反中微子？有沒有重中微子？太陽中微子的強度有沒有周期性變化？宇宙背景中微子怎樣探測？它在暗物質(zhì)中占什么地位？恒星內(nèi)部、銀河系核心、超新星爆發(fā)過程、類星體、極遠處和極早期宇宙有什么奧秘？這些謎正點是將微觀世界與宇觀世界聯(lián)系起來的重要環(huán)節(jié)。對中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義，在我的日常生活中也有現(xiàn)實意義。人類認識客觀世界的目的是為了更自覺地改造世界。我們應(yīng)充分利用在研究中微子物理的過程中發(fā)展起來的實驗技術(shù)和中間成果，使其轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力造福人類，而中微子本身也有可能在21世紀得到應(yīng)用。 應(yīng)用 其中可能的應(yīng)用之一就是中微子通訊。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛(wèi)星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿過地球時損耗很小，用高能加速器產(chǎn)生10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減千分之一，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。將中微子束加以調(diào)制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意兩點進行通訊聯(lián)系，無需昂貴而復(fù)雜的衛(wèi)星或微波站。 應(yīng)用之二是中微子地球斷層掃描，即地層CT。中微子與物質(zhì)相互作用截面隨中微子能量的提高而增加，用高能加速器產(chǎn)生能量為一萬億電子伏以上的中微子束定向照射地層，與地層物質(zhì)作用可以產(chǎn)生局部小“地震”，類似于地震法勘探，可對深層地層也進行勘探，將地層一層一層地掃描。 中微子天文學(xué) 中微子天文學(xué)天體物理學(xué)的一個分支﹐主要研究恒星上可能發(fā)生的中微子過程以及這些過程對恒星的結(jié)構(gòu)和演化的作用。中微子是一種不帶電﹑靜止質(zhì)量極小的基本粒子。早在研究原子核的β衰變時就從理論上預(yù)見到中微子的存在﹐但直到1956年才在實驗中觀察到。中微子和一般物質(zhì)的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情況外，在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的中微子能夠不受阻礙地跑出恒星表面﹐因此﹐對恒星發(fā)射的中微子進行探測﹐可以獲得有關(guān)恒星內(nèi)部的信息。 太陽中微子實驗 太陽每秒放出的總輻射能為 3.86×10爾格。其中絕大部分的能量由質(zhì)子－質(zhì)子反應(yīng)產(chǎn)生﹐很小一部分由碳氮循環(huán)產(chǎn)生。這些反應(yīng)中有許多分支反應(yīng)過程是產(chǎn)生中微子的﹐中微子在地球表面處的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本領(lǐng)﹐一般很難測量。美國布魯克黑文實驗室的戴維斯等人在深礦井中進行了太陽中微子的實驗。實驗中用大體積的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘獲中微子的反應(yīng)﹕+Cl→e +Ar﹐來探測太陽中微子。從1955年以來﹐他們所得的結(jié)果是﹕ 產(chǎn)生過程 在恒星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恒星演化的晚期﹐中微子的作用就變得重要了。這時﹐產(chǎn)生中微子的過程主要有以下幾種： 第一種是尤卡過程。其反應(yīng)為： (Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +﹐ e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+。 尤卡過程的總效果﹐是將電子的動能不斷地轉(zhuǎn)化為中微子對而放出。式中Z 為原子序數(shù)(質(zhì)子數(shù))﹐A 為質(zhì)量數(shù)(核子數(shù))﹐e 為電子﹐為電子中微子﹐為反電子中微子。 第二種是中微子軔致輻射。隆捷科沃于1959年首先進行研究。電子與原子核(Z﹐A )碰撞﹐可以發(fā)射中微子對﹐其反應(yīng)為： e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )++。 第三種是光生中微子過程。丘宏義和斯塔貝爾曾在1961年首先進行研究。γ光子與電子碰撞﹐可以發(fā)射中微子對﹐其反應(yīng)為： γ+e →e ++。 第四種是電子對湮沒中微子過程。丘宏義和莫里森于1960年首先進行研究。正﹑負電子對湮沒為中微子對﹐其反應(yīng)為： e +e →+。 式中e 為正電子。 第五種是等離子體激元衰變中微子過程。J.B.亞當(dāng)斯等人于1963年進行研究。等離子體激元可以按如下的反應(yīng)衰變?yōu)橹形⒆訉Γ?/span> →+。 第二﹑三﹑四﹑五種過程是根據(jù)1958年范曼和格爾曼提出的普適弱相互作用導(dǎo)出的。弱電統(tǒng)一理論提出后﹐又出現(xiàn)了許多新的中微子過程﹐例如上述第三﹑四﹑五種過程右方的+都可推廣為+﹐+等。 作用 在恒星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕發(fā)射中微子﹐帶走了大量的能量﹐加快了恒星演化的進程和縮短了恒星演化的時標﹔對超新星爆發(fā)和中子星形成可能起關(guān)鍵作用。例如﹐有一種看法認為﹕在一個高度演化的恒星內(nèi)部﹐通過逐級熱核反應(yīng)﹐一直進行到合成鐵。進一步的引力坍縮，將使恒星核心部分產(chǎn)生強烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由于中性流弱作用的相干性﹐鐵原子核對中微子有較大的散射截面。因此﹐強大的中微子束會對富含鐵原子核的外殼產(chǎn)生足夠大的壓力﹐將外殼吹散而形成猛烈的超新星爆發(fā)。被吹散的外殼形成星云狀的超新星遺跡﹐中子化的核心留下來形成中子星。 恒星離我們十分遙遠﹐以目前的探測技術(shù)還無法接收到它們發(fā)射的中微子流。只在超新星爆發(fā)使中微子發(fā)射劇增時﹐才有可能探測到。除了恒星以外﹐在類星體﹑激擾星系以及宇宙學(xué)研究對象中﹐也存在許多有關(guān)中微子過程的問題。 中微子實驗 中微子是當(dāng)前粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球物理的交叉前沿學(xué)科，本身性質(zhì)也有大量謎團尚未解開。在這一領(lǐng)域，大部分成績均為日本和美國取得。1942年，中國科學(xué)家王淦昌提出利用軌道電子俘獲檢測中微子的可行方案，美國人艾倫成功地用這種方法證明了中微子的存在。80年代，中國原子能科學(xué)研究院進行了中微子靜止質(zhì)量的測量，證明電子反中微子的靜止質(zhì)量在30電子伏特以下。 中微子振蕩研究的下一步發(fā)展，首先必須利用核反應(yīng)堆精確測量中微子混合角theta13。位于中國深圳的大亞灣核電站具有得天獨厚的地理條件，是世界上進行這一測量的最佳地點。由中國科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗于2006年正式啟動，聯(lián)合了國內(nèi)十多家研究所和大學(xué)，美國十多家國家實驗室和大學(xué)，以及中國香港、中國臺灣、俄羅斯、捷克的研究機構(gòu)。實驗總投資約3億元人民幣，2011年建成。它的建成運行將使中國在中微子研究中占據(jù)重要的國際地位。 中微子具有質(zhì)量，這是很早就提出過的物理概念。但是人類對于中微子的性質(zhì)的研究還是非常有限的。我們至今不是非常確定地知道：幾種中微子是同一種實物粒子的不同表現(xiàn)，還是不同性質(zhì)的幾種物質(zhì)粒子，或者是同一種粒子組成的差別相當(dāng)微小的具有不同質(zhì)量的粒子。隨著人類認識的深化，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中微子之謎終究是會被攻破的。 此次研究的中微子束源自位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心，接收方則是意大利羅馬附近的意大利國立核物理研究所。粒子束的發(fā)射方和接收方之間有著730公里的距離，研究者讓粒子束以近光速運行，并通過其最后運行的時間和距離來判斷中微子的速度。中微子束在兩地之間的地下管道中穿梭。 但物理學(xué)家們認為，一旦這些粒子確實被證實跑過了光速，將徹底改變?nèi)祟悓φ麄€宇宙存在的看法，甚至改變?nèi)祟惔嬖诘哪Ｊ?。有分析人士認為，可能宇宙中的確還存在其他未知維度，中微子抄了其他維度的“近路”，才“跑”得比光快。現(xiàn)在此結(jié)論還有待進一步證實。 大亞灣發(fā)現(xiàn)新中微子振蕩 大亞灣中微子實驗國際合作組發(fā)言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳8日在北京宣布，大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。該發(fā)現(xiàn)被認為是對物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項新的認識，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。 上海交通大學(xué)物理系主任、粒子物理宇宙學(xué)研究所所長季向東這樣闡釋這項研究的意義：“大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)了電子中微子振蕩的新模式，這種模式的發(fā)現(xiàn)對了解為什么在物質(zhì)遠遠多于反物質(zhì)，對解釋太陽系中元素的豐度有極其重要的作用。在我們所觀察到的宇宙中，物質(zhì)占主要地位，但為什么如此，到現(xiàn)在還沒有一個合理的解釋，大亞灣實驗的結(jié)果打開了一扇大門?！?/span> 另據(jù)王貽芳透露，2002年，兩名美日科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎，但第三種振蕩一直未被發(fā)現(xiàn)。9年前，中科院高能所研究人員提出設(shè)想，利用大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩?！?003年左右，國際上先后有7個國家提出了8個實驗方案，最終有3個進入建設(shè)階段，這就包括咱們的大亞灣核電站?！蓖踬O芳稱，為搶在競爭對手之前獲得物理結(jié)果，科研人員將實驗分為兩個階段，此次結(jié)果便來自第一階段的數(shù)據(jù)。 超高能中微子 那些用于監(jiān)測罕見偶發(fā)事件的監(jiān)測系統(tǒng)往往造價昂貴，但最終監(jiān)測數(shù)年而一無所獲。因此，近期科學(xué)家們對一個消息感到振奮鼓舞的心情也就不難理解了：他們設(shè)立在南極的冰立方探測器——一臺專用于監(jiān)測中微子的巨型設(shè)備，在2013年報告檢測到兩個具有異常高能量的中微子粒子，其能量接近1000TeV(1千萬億電子伏特)，這比來自太陽的中微子能量高出近10億倍。隨后南極冰立方望遠鏡項目的科學(xué)家們進一步進行了數(shù)據(jù)分析并發(fā)現(xiàn)了另外26個能量高于30 TeV的中微子。科學(xué)家們目前還需要更多的觀測數(shù)據(jù)才能嘗試確定這些具有異乎尋常高能量的中微子的來源，而這樣做將可能需要建造一臺更大的探測器。但有一點，他們初步認為這些中微子是源自太陽系之外的，而自從1987年之后人們就再也沒有在實驗中探測到如此遙遠來源的中微子?？茖W(xué)家們相信這些神秘粒子攜帶著有關(guān)天體物理學(xué)事件，如遙遠星系中伽馬射線暴的信息。 觀測 由于探測技術(shù)的提高，人們可以觀測到來自天體的中微子，導(dǎo)致了一種新的天文觀測手段的產(chǎn)生。美國正在南極洲冰層中建造一個立方公里大的中微子天文望遠鏡——冰立方。法國、意大利、俄羅斯也分別在地中海和貝加爾湖中建造中微子天文望遠鏡。KamLAND觀測到了來自地心的中微子，可以用來研究地球構(gòu)造。 歐盟的望遠鏡 歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號” ——KM3中微子天文望遠鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。儒勒·凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》講述了尼莫(拉丁語為“無此人”的意思)船長和他的“鸚鵡螺號”潛水艇的歷險故事；中微子則是我們所能知的最接近“無物質(zhì)”的最小粒子，它也是一種黑暗的物質(zhì)。小說中的“鸚鵡螺號”被用來探索海底世界，中微子也可以被用來觀測太空中那些遙不可及的天體。目前，歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號”——KM3中微子天文望遠鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。 歐洲KM3計劃的負責(zé)人之一，英國謝菲爾德大學(xué)的李·湯普森博士說：“利用中微子觀察宇宙是一種全新的技術(shù)。中微子不會被其他物質(zhì)吸收，也不會被其他東西反射。中微子可以穿過我們的身體，也可以穿過地球，但它們本身絲毫不受到影響。中微子不帶電荷，它們的運動路線也不會因其他電磁場而彎曲。所以，一旦發(fā)現(xiàn)中微子，并判斷出它的運動方向，我們就可以發(fā)現(xiàn)它在宇宙中的來源。” 由于完全不受其他物質(zhì)的影響，中微子可以提供關(guān)于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，你必須有一個巨大的探測器。為了讓KM3正常工作，大量的傳感器要被放置在地中海海底的一個巨大水體之內(nèi)，這樣它們才能捕捉任何偶然經(jīng)過的中微子軌跡。 在小說中，“鸚鵡螺號”在航行中需要防御大型甲殼動物的攻擊。在海底工作的KM3也有自己的麻煩。它需要被安放在一個沒有過多海底生物的地方，因為這些在黑暗中大量繁殖的海底生物會自己發(fā)光，從而干擾感應(yīng)器對中微子光的捕捉。 北京的望遠鏡 與此同時，研究人員還在北京實現(xiàn)了第二臺望遠鏡的全遙控試運行，成功實現(xiàn)了與中意合作ARGO全覆蓋地面探測器的聯(lián)合觀測。截至5月23日凌晨，這臺望遠鏡已觀測到50多個宇宙線事例。中國科學(xué)院高能物理研究所研究人員表示，超高能中微子望遠鏡研制的成功，標志著中國具備了實施超高能中微子探測這一探索性研究的技術(shù)和人員條件，為超高能中微子探測研究的正式立項奠定了堅實的基礎(chǔ)。 主要理論 一些歐洲科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)，中微子速度超過光速。如果實驗結(jié)果經(jīng)檢驗得以確認，阿爾伯特·愛因斯坦提出的經(jīng)典理論相對論將受到挑戰(zhàn)。光速約每秒30萬公里，愛因斯坦的相對論認為沒有任何物體的速度能夠超過光速，這成為現(xiàn)代物理學(xué)的重要基礎(chǔ)。如果真的證實這種超光速現(xiàn)象，其意義十分重大，整個物理學(xué)理論體系或許會因之重建。 此結(jié)論：中微子要比光子快60納秒（1納秒等于十億分之一秒） 【已被證實為實驗失誤，系電腦與全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備之間的光纜連接松動所致】 意大利格蘭薩索國家實驗室“奧佩拉”項目研究人員使用一套裝置，接收730公里外歐洲核子研究中心發(fā)射的中微子束，發(fā)現(xiàn)中微子比光子提前60納秒（1納秒等于十億分之一秒）到達，即每秒鐘多“跑”6公里?！拔覀兏械秸痼@，”瑞士伯爾尼大學(xué)物理學(xué)家、“奧佩拉”項目發(fā)言人安東尼奧·伊拉蒂塔托說。2011年9月22日英國《自然》雜志網(wǎng)站報道了這一發(fā)現(xiàn)。研究人員定于23日向歐洲核子研究中心提交報告。（據(jù)美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站報道，去年有關(guān)中微子比光跑得快的發(fā)現(xiàn)曾震驚科學(xué)界，但這個實驗結(jié)果實際上是由于操作失誤，電腦與全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備之間的光纜連接松動所致。) 挑戰(zhàn)經(jīng)典 相對論是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)理論之一，認為任何物質(zhì)在真空中的速度無法超過光速。這一最新發(fā)現(xiàn)可能推翻愛因斯坦的經(jīng)典理論。歐洲核子研究中心理論物理學(xué)家約翰·埃利斯評價：“如果這一結(jié)果是事實，那的確非同凡響”。法國物理學(xué)家皮埃爾·比內(nèi)特呂告訴法國媒體，這是“革命性”發(fā)現(xiàn)，一旦獲得證實，“廣義相對論和狹義相對論都將打上問號”。他沒有參與這一項目，然而查閱過實驗數(shù)據(jù)。比內(nèi)特呂說，這項實驗中，中微子穿過各類物質(zhì)，包括地殼，“這也許會減慢它們的速度，但絕不會增加它們的速度，讓它們超過光速”。 有待檢驗 這不是愛因斯坦的光速理論首次遭遇挑戰(zhàn)。2007年，美國費米國家實驗室研究人員取得類似實驗結(jié)果，但對實驗的精確性存疑。 “奧佩拉”項目發(fā)言人伊拉蒂塔托說，項目組充分相信實驗結(jié)果，繼而公開發(fā)表?！拔覀儗嶒灲Y(jié)果非常有信心。我們一遍又一遍檢查測量中所有可能出錯的地方，卻什么也沒有發(fā)現(xiàn)。我們想請同行們獨立核查?！?/span> 這一項目使用一套復(fù)雜的電子和照相裝置，重1800噸，位于格蘭薩索國家實驗室地下1400米深處。項目研究人員說，這套接收裝置與歐洲核子研究中心之間的距離精度為20厘米以內(nèi)，測速精度為10納秒以內(nèi)。過去兩年，他們觀測到超過1.6萬次“超光速”現(xiàn)象。依據(jù)這些數(shù)據(jù)，他們認定，實驗結(jié)果達到六西格瑪或六標準差，即確定正確。 歐洲核子研究中心物理學(xué)家埃利斯對這一結(jié)果仍心存疑慮。科學(xué)家先前研究1987a超新星發(fā)出的中微子脈沖。如果最新觀測結(jié)果適用于所有中微子，這顆超新星發(fā)出的中微子應(yīng)比它發(fā)出的光提前數(shù)年到達地球。然而，觀測顯示，這些中微子僅早到數(shù)小時?！斑@難以符合'歐佩拉’項目觀測結(jié)果，”埃利斯說。 美國費米實驗室中微子項目專家阿爾方斯·韋伯認為，“歐佩拉”實驗“仍存在測量誤差可能”。費米實驗室女發(fā)言人珍妮·托馬斯說，“歐佩拉”項目結(jié)果公布前，費米實驗室研究人員就打算繼續(xù)做更多精確實驗，可能今后一年或兩年開始。 伊拉蒂塔托歡迎同行對實驗數(shù)據(jù)提出懷疑，同樣態(tài)度謹慎。他告訴路透社記者：“這一發(fā)現(xiàn)如此讓人吃驚，以至于眼下所有人都需要非常慎重”。 就韋伯而言，即使實驗結(jié)果獲得確認，相對論“仍是優(yōu)秀理論”，只不過“需要做一些擴充或修正”。他說，艾薩克·牛頓的重力理論不完美，但并不妨礙人類借助它飛向太空。 更新后的檢驗 9月份發(fā)布“中微子超光速”消息的機構(gòu)是歐核中心（CERN）與大型中微子振蕩實驗（OPERA）項目組。實驗發(fā)現(xiàn)，位于日內(nèi)瓦邊境的CERN發(fā)射出的中微子束，“翻山越嶺”來到732公里外的意大利，在實驗誤差不超過10納秒的情況下，中微子的行進速度竟比光快了58納秒。這一有可能顛覆當(dāng)前物理學(xué)研究根基的結(jié)果震撼了整個學(xué)界，也招致了世界上絕大部分物理學(xué)家的集體質(zhì)疑。在當(dāng)初的各種疑問當(dāng)中，科學(xué)家特別指出，整個實驗開始時中微子被質(zhì)子束產(chǎn)生所需的時間，都比完成實驗行進距離后所耗費的時間要久得多。有鑒于此，歐核中心在10月份更換了設(shè)備，使中微子的生成時間縮短到了3納秒，以此來更好地與到達意大利格蘭薩索的中微子做比較。第二次重復(fù)性實驗的結(jié)果表明，中微子依舊比光提前到達了62納秒。這在與第一次實驗結(jié)論完全吻合的同時，也否定了關(guān)于中微子脈沖的持續(xù)性與實驗結(jié)果有關(guān)的猜測。 11月17日，該研究團隊再次發(fā)布報告稱，已通過二次檢驗，獲得了與第一次實驗相同的結(jié)果，且以此排除了實驗過程存在錯誤的可能性。該實驗發(fā)言人、合作參與研究的瑞士伯爾尼大學(xué)安東尼奧·埃里蒂塔圖博士表示，本次結(jié)果要“稍好點”。其他研究人員亦認為，本次在實驗精確性、統(tǒng)計分析等多方面得到改進，且雖說都是OPERA的人，但卻是由不同的小組來完成重復(fù)實驗。 據(jù)《紐約時報》在線版、《華盛頓郵報》在線版等多家媒體11月20日消息稱，來自O(shè)PERA的研究人員當(dāng)?shù)貢r間17日發(fā)布了新產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)，再次確認了此前轟動一時的“中微子超光速”實驗結(jié)果，且這是針對前一次的部分質(zhì)疑進行了設(shè)備修正后再次實驗得出的結(jié)論。不過，鑒于該實驗的“原始”制造方和再次驗證都是同機構(gòu)中人，各地科學(xué)家們普遍希望能有獨立實驗予以復(fù)制分析，否則對理論的懷疑都是后話，因為對實驗自身的懷疑尚還不能平息。 這一結(jié)果給科學(xué)界帶來了巨大困惑，因為這與愛因斯坦狹義相對論中光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質(zhì)的速度可以超越光速的理論相悖。 10月份，歐洲核子研究中心優(yōu)化了實驗方案并開始復(fù)核中微子超光速實驗，最終“新的測量方法沒有改變最初的結(jié)論”。但歐洲核子研究中心也表示，在中微子速度超越光速這一結(jié)論被駁倒或者被證實前，還需要進行更多的實驗觀察和獨立測試。 物理學(xué)家解釋 北京時間10月18日消息，超光速中微子存在意味著愛因斯坦的推測是錯誤的。至少自從科研人員在意大利通過OPERA試驗提出中微子比我們認為的早到60納秒后，這就一直是一些非常受歡迎的新聞媒體喜歡談?wù)摰脑掝}。對這一異常結(jié)果非常感興趣的科學(xué)家從此開始尋找更準確的答案。該消息宣布3周后，arxiv網(wǎng)站的預(yù)印版上粘貼出80多種解釋。雖然一些人提出新物理學(xué)的可能性，例如中微子在額外維中穿行，或者特定能量的中微子的運行速度比光更快，但是很多人為這項試驗提出創(chuàng)新性更少的解釋。 有關(guān)超光速的解釋，最早出現(xiàn)的一個反對理由來自一項天體物理學(xué)研究。1987年，一顆強大的超新星產(chǎn)生的大量光和中微子涌向地球。雖然中微子探測器觀察到這種微粒比光早到大約3小時，但是很有可能是這種超輕粒子先開始向地球方向飛來。中微子很難與物質(zhì)產(chǎn)生互動，它相對比較容易從爆炸的恒星核里逃逸出來，而光子會被多種元素吸收并重新發(fā)射出來，它從恒星核里逃逸出來需要更長時間。如果OPERA試驗得出的結(jié)果與觀測結(jié)果一樣，科學(xué)家認為中微子應(yīng)該比光早到超過4年時間。 其他科學(xué)家已經(jīng)把這一超光速結(jié)果應(yīng)用到采用標準物理模型的任務(wù)中，這種模型用來描述所有亞原子粒子以及它們之間的互動。據(jù)標準物理模型顯示，能量足夠高的中微子應(yīng)該能夠通過被稱作科恩-格拉肖噴射（Cohen-Glashow emission）的過程產(chǎn)生虛擬電子對。正如諾貝爾獎得主格拉肖和他的同事們在一篇論文里的解釋，這些噴射物將會逐漸耗盡超光速中微子產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致它們的運行速度放慢下來。 理論物理學(xué)家馬特-施特拉斯勒也在他的博客上說，標準物理模型的特性表明，要讓中微子的運行速度比光快，電子也要這樣。但是如果電子中微子以O(shè)PERA試驗提出的速度運行，那么電子至少也應(yīng)該比光速快十億分之一。很多試驗已經(jīng)確定電子的理論極限，這很好地排除了上述假設(shè)。OPERA科研組利用GPS衛(wèi)星精確測量探測器與歐洲粒子物理研究所的粒子束之間的730公里的距離，該研究所正是產(chǎn)生中微子的地方。然而根據(jù)狹義相對論，如果兩名觀察員向彼此靠近，將會得出略微不同的結(jié)論。 由于衛(wèi)星是在圍繞地球運行，中微子源和探測器的位置會不斷發(fā)生變化。據(jù)該論文說，衛(wèi)星運動會導(dǎo)致64納秒的誤差，幾乎與OPERA科研組的觀察結(jié)果接近。最終，物理學(xué)界還需要花費大量時間，并獲得大量學(xué)術(shù)知識，才能為該科研組得出的結(jié)果提供真正的解釋。在此之前，激烈的爭論可能會一直持續(xù)下去。 質(zhì)疑者的聲音 在OPERA實驗結(jié)果發(fā)表后，除了科學(xué)家口頭表達的看法外，幾天內(nèi)就出現(xiàn)了幾十篇論文，探討實驗的結(jié)果。不少知名科學(xué)家包括諾貝爾獎獲得者，都斬釘截鐵地說，肯定是OPERA實驗錯了。 從概率上來說，最大的可能性是這個實驗本身有漏洞，只不過現(xiàn)在還沒有被發(fā)現(xiàn)。有人指出了實驗的幾個測量環(huán)節(jié)有可能會出問題。諾貝爾獎獲得者格拉肖發(fā)表論文，說明如果真的超了光速，中微子的能量會在地下飛行過程中損失，實驗結(jié)果會自相矛盾。因此，當(dāng)務(wù)之急是重復(fù)實驗結(jié)果。諾貝爾獎獲得者魯比亞在參加北京諾貝爾獎?wù)搲瘯r表示，另外兩個意大利中微子實驗BOREXINO和ICARUS可以用來驗證。美國MINOS實驗也表示，他們會馬上分析數(shù)據(jù)，給出一個初步結(jié)果，然后再改進測量設(shè)備，驗證OPERA實驗的結(jié)果。 第二種可能是中微子具有特殊性質(zhì)，這樣相對論也是對的，這個實驗結(jié)果也是對的。比如說，歐洲核子研究中心發(fā)出的中微子有可能振蕩到一種惰性中微子，而惰性中微子可以在多維空間中“抄近路”，然后再振蕩回普通中微子，這樣看起來中微子就跑得比光快了。也有人認為中微子的質(zhì)量不是固定的，與暗能量有關(guān)聯(lián)，會隨環(huán)境變化，這樣在飛行過程中看起來比光速快。諸如此類的理論很多，不過這些理論本身就需要大量實驗來證實。 第三種可能就是相對論錯了，光速是可以超過的。包含兩次實驗的具體內(nèi)容的論文已經(jīng)公布到互聯(lián)網(wǎng)上供公眾查閱，并已提交給《高能物理學(xué)》雜志。相對于9月份實驗之后部分OPERA成員不愿在報告草案上署名并希望有更多時間進行檢驗的狀況，埃里蒂塔圖向新聞界表示，人們會在第二次實驗報告上看到全體研究成員的簽名。 論文公布后，反對派的物理學(xué)家們指出，盡管回答了一些關(guān)于實驗的質(zhì)疑，但OPERA的報告依然回避了以下信息：日內(nèi)瓦與格蘭薩索的時間如何保持同步？兩地之間的距離如何得到精確測量？夏威夷馬諾大學(xué)的中微子物理學(xué)家約翰·萊納德表示，盡管研究者的構(gòu)想與努力獨具創(chuàng)新，但該實驗在時差測算中依然存在深層次的系統(tǒng)錯誤。與許多其他物理學(xué)家一樣，萊納德承認絕對可信的理論實際上并不存在。但他們看到了此事件的另外一面——關(guān)于中微子的研究正因為那種它所可能帶來的深入、廣泛的影響而愈具吸引力。而回到物理學(xué)理論上，即便該實驗結(jié)論最終得到證實，那也“將是非常有趣的事”。 歐核中心的理論物理學(xué)家阿爾瓦羅·盧居拉認為，中微子實驗的結(jié)果只能有兩種解釋：其一，實驗者盡管偶然但確實完成了一項革命性的偉大發(fā)現(xiàn)；其二，也是他自己選擇相信的，是這兩次實驗都存在著相同的卻沒有被認識到的錯誤。 2011/11/2文匯報以整個版面報道了“超光速震撼”. 目前，其他大部分物理學(xué)家對于這種顛覆規(guī)律的結(jié)論依舊持懷疑和保留態(tài)度。 而《紐約時報》的報道在全文開篇就指出：盡管已有一小撮兒科學(xué)家開始敢于質(zhì)疑愛因斯坦的經(jīng)典理論，但OPERA的那些“魍魎粒子”目前仍缺乏解釋。 中微子速度 據(jù)著名期刊美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站報道，接近CERN實驗者的消息來源透露，去年9月意大利實驗室所作的中微子速度超光速結(jié)果終于有了解釋：GPS信號接收器和PC之間的光纜沒接好導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差造成了這一假象。 此前已經(jīng)有更多的研究人員站出來稱這一與相對論矛盾的實驗結(jié)果是由于某種還未發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)誤差所導(dǎo)致，并且相對論在“發(fā)現(xiàn)”之后至今的近一百年間已經(jīng)為多個實驗所證實。這次正是如此：研究人員發(fā)現(xiàn)檢查連接用來校正中微子飛行時間的GPS信號接收器和PC的光纜后，此前中微子比光速快60ns的實驗結(jié)果就可得到解釋。具體進展還需等待進一步證實以及發(fā)表正式文章之后。 得到主流科學(xué)界的承認當(dāng)然沒那么容易，同時再次說明布線的重要性，該整理機房了…… 中微子超光速試驗最新進展—“沒有超光速效應(yīng)”據(jù)著名期刊美國《科學(xué)》2012年3月23日報道，實驗人員在Gran Sasso，使用ICARUS接收器重新測量來自GERN的中微子的速度，發(fā)現(xiàn)中微子速度剛好是光速，并沒有出現(xiàn)超光速效應(yīng)。GERN的Carlo Rubbia（ICARUS隊的發(fā)言人）說到:'沒有超光速效應(yīng)，我還能說什么？'OPERA的發(fā)言人表示：“來自ICARUS的實驗結(jié)果和我們的近期實驗結(jié)果相一致”。、 2012年6月8日，正在日本京都召開的國際中微子物理和天體物理學(xué)國際會議上，研究人員們向國際科學(xué)界報告了這項研究的最新進展情況。物理學(xué)家們宣布，之前那項對愛因斯坦相對論的基礎(chǔ)——光速極限理論提出挑戰(zhàn)的實驗已經(jīng)被確認存在錯誤。世界上多個獨立的研究小組進行的后續(xù)驗證實驗都已經(jīng)證明，和所有其它事物一樣，中微子同樣遵循愛因斯坦指出的宇宙速度極限法則。同時，歐洲核子研究中心的科學(xué)家們已經(jīng)做出了澄清：之前的實驗結(jié)果是錯誤的，實驗設(shè)備的線纜接口出現(xiàn)問題導(dǎo)致了誤差的發(fā)生。 參考資料 [1] 首次檢測到太陽碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生中微子 · 中國新聞網(wǎng)[引用日期2020-11-26] [2] 中微子“蛛絲馬跡”首次現(xiàn)身大型強子對撞機-今日頭條-手機光明網(wǎng) · 手機光明網(wǎng)[引用日期2021-11-30] 相關(guān)視頻  |
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