2011年9月底,曾经发现顶夸克的美国费米实验室宣布,他们的万亿电子伏加速器于9月30日关闭.之所以如此,是因为费米实验室计划转向一项新的研究,也就是对意大利OPERA实验发现的“超光速中微子”的结果进行验证.
在9月底,这个属于意大利Gran Sasso国家实验室名下的OPERA项目组可以说是赚足了眼球.《自然》杂志上的一篇文章称“OPERA”的实验装置接收到了来自730公里外位于Geneva欧洲核子研究中心(CERN)发出的中微子.而中微子穿越这段距离的时间比光速快60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）.
中微子是一种不带电的基本粒子,该粒子具有最强的穿透力.
这一结果与爱因斯坦相对论中 “光速无法超越”理论相矛盾.很多科学家都心存怀疑,其中最有名的是1979年诺贝尔物理学奖得主格拉肖,他因统一了电弱理论而获奖.他宣称由于中微子在从Geneva到Gran Sasso的传播过程中会损失能量,因此中微子的超光速现象是不可能发生的.
那么,究竟是OPERA错了?还是爱因斯坦错了?
真真假假
“我感到非常的震惊.” OPERA项目的发言人,瑞士伯尔尼大学物理学家Antonio Ereditato这样说.他表示经过数月的研究和交叉检查,他们并没有发现任何可以得出有关这个测量结果的解释,所以将这个研究结果公布.“我们将继续研究,同时也期待着其他机构的测量以便对我们的工作进行评估.”
OPERA项目组有160余人,他们来自各个国家.在高能物理所曹俊研究员看来,正式发表的结果肯定经过了反复推敲验证,他们文章中基本上每个重要的数字都采用不同方法检验或独立验证.“他们出错的概率要比相对论出错的概率大.但是凭空猜测他们哪里做错了,肯定是不靠谱的.也有可能什么地方他们没有想到.也有可能是中微子有什么特殊的性质.”曹俊这样告诉《科学新闻》.
OPERA的中微子大部分来自CERN的?仔粒子的衰变,然后它们在地壳中传播730公里到达Gran Sasso.跟传统高能物理实验不同,中微子实验并没有隧道,这是因为中微子和其他粒子的相互作用非常弱,他们能够在岩层中以近光速传播.“这个性质是中微子特有的,也是只能在中微子中观测到超光速现象的可能原因.”中国科学院高能物理研究所的Jarah Evslin解释称,之所以能观测到超光速现象,除了误差外,其可能原因还在于中微子的特质.
中国科学院高能物理研究所研究员张新民、Jarah Evslin、Emilio Ciuffoli以及刘杰,围绕OPERA的实验进行了相关研究.他们提出了一个能够很好解释OPERA结果的模型.他们认为对超光速中微子的一个主要限制是来自超新星1987A的中微子观测.在这个模型中,他们发现暗能量在可见物质高密度区聚集,例如地球附近.“因此,中微子只能在地球附近以超光速传播,而在太空中,由于可见物质稀少,暗能量不能聚集,中微子也就不能超过光速.”Jarah Evslin这样说.
事实上,观测到超光速中微子现象OPERA并不是独一家.早在2007年,美国费米实验室MINOS实验就曾经观测到类似的状况,但是当时并没有引起重视.
“费米实验室的MINOS实验结果没有被证伪.但是只有2个多标准偏差,显著性不够.OPERA超光速的结果达到了6个标准偏差,因此引起了重视.但不能排除实验做错了.”曹俊说.
据介绍,在粒子物理理论被验证的过程中,并未规定重复试验的次数.但是在单个实验中,如果达到5倍标准偏差的显著水平就可以确认.故OPERA实验相比费米的MINOS的实验更引人关注.
Jarah Evslin认为,之前由于费米MINOS实验的误差较大所以可信度低,而现在OPERA发现了相同的现象,因此费米的实验就值得商榷了.他指出,目前中微子只是比光速快了近7000米/秒,这么小的差别是很难被观测到的.主要有以下两个原因：中微子接收器位于地面以下1000米,不能直接用GPS来测时间；两年间,OPERA实验捕捉了16000个中微子束,中微子脉冲不是瞬时发出的,而是在一个约10000纳秒的时间内连续发出的.因此,我们无法区别探测到的中微子是在哪一刻发射出来的.在实验上这非常难下定论也非常容易发生错误.
如何验证
对于OPERA究竟是对还是错,这个问题也许OPERA自己并不能给出答案.这需要其他实验室给予帮助.
“由于超光速现象会撼动现代物理学的基础,所以我认为我们需要更多的中微子实验来检验OPERA的结果.”Jarah Evslin告诉《科学新闻》,如果在这次实验中,OPERA在某个细节上犯了错,那么下次实验他们还会继续犯同样的错误.所以对下次的结果仍然不能相信.因此必须在一到两年内有其他两个实验对OPERA的结果进行检验,一个就是美国费米实验室的MINOS实验,第二个是日本的T2K实验.
和许多物理学家一样,Jarah Evslin对OPERA的实验结果虽然心存疑虑,但仍认为是值得商榷的.“如果明年费米实验室的MINOS实验能够证实OPERA的结果,那么我认为这个实验就基本是正确的了.”Jarah Evslin这样告诉《科学新闻》.
据了解,为了对OPERA实验进行验证,目前费米实验室的MINOS提出了升级后的计划.其中包括采用更精确的时间测量方法,采用新的GPS传感器、原子钟和探测器,来将中微子到达时间误差控制在2纳秒.预计最快将在2014年得出结果.
在Jarah Evslin看来,费米实验室想要提高精度就必须在时间和距离两个方面上努力.特别是时间校准上必须在发生端和接收端下功夫.这是因为OPERA实验在距离校准上做得非常好,甚至能够探测到大陆板块移动.OPERA实验利用了多种独立的手段以及时间上最精准的钟来校时.因此,费米实验室至少要达到相同的水平,才可以确保实验结果的准确.
而除了校准时间外,“当然,能够延长中微子的传播距离是最好的,这样的话,时间可以不用探测的那么精确.但是这样一来我们就需要一个新的探测器,而建造一个新的探测器绝对不是一两年能够搞定的.”Jarah Evslin表示.
Jarah Evslin看来,在OPERA的结果得到确认之前,理论物理学家应该从理论方面考虑超光速的可能性,这样能够为实验设计提供帮助.因为,毕竟理论学家的“实验”比科学家的实验便宜很多.■
《科学新闻》 (科学新闻2011年第11期 学界)
2012年3月末物理学家们宣布,之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误.后续的验证实验已经证明,和所有其它事物一样,中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则.
