中微子超光速现象一旦证实,将推翻爱因斯坦的相对论

2022-08-20 阅读851 评论0 喜欢0

中微子是什么?研究中微子到底有什么意义呢?我们还是一步一步来讲解。

中微子是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号希腊字母v表示。中微子个头小、不带电,可自由穿过地球,自旋为1/2,质量非常轻(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它,用了20多年的时间。

中微子这种强悍的穿透力让科学家吃尽了苦头,为了看到它,科学家只能守株待兔,让大量中微子与大量探测物质接触,虽然单个中微子的反应几率小,但是总量上来以后,还是能看到一些中微子发生反应事例的。为屏蔽其他粒子的干扰,中微子探测器一般都建在地下数百甚至上千米的矿井或者山洞中。此次发现OPERA实验组属于意大利格朗萨索国家实验室,它位于横穿意大利的格朗萨索山脉中,一条高速公路隧道连接山的两边,中间有3个大山洞,洞中建起了这个世界上最大的粒子物理实验室,实验室在地下1400米深处。

2013年11月23日,科学家首次捕捉高能中微子。而新一代的国际中微子实验,包括测量三种中微子的质量顺序以及中微子CP破坏的实验计划都是根据大亚湾实验的结果进行设计的。

研究中微子的意义,从微观世界来讲,可以研究物质的结构组成,宏观上也涉及到宇宙的起源,中微子具有优异的穿透性能,所以能够通过研究中微子,得到遥远地方的天体的信息。 还有,中微子通信是一个研究方向,它具有很强的方向性和优异的保密性能.它可以直接穿越地球传播。

中微子可以用来解释宇宙的起源问题。科学家相信,宇宙在大爆炸之初,同时产生了物质世界和反物质世界,在宇宙的起源和演化过程中,曾经存在过反物质世界,只是它后来消失了。它消失到哪里去了?要揭示反物质世界的消失之谜,就要从现存的物质世界中找寻蛛丝马迹,而科学家普遍认为,广泛存在于物质世界中的中微子,就包含了反物质世界是如何消失的重大信息。在100多亿年前,由于中微子的作用,反物质消失了,最终形成了我们的世界。

中微子振荡

中微子总共有三种,电子中微子,μ中微子和τ中微子。由于中微子有质量,它们会发生相互转化,叫中微子振荡。为了研究这种现象,从2009年到2011年OPERA利用位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)的超级质子同步加速器产生了一万亿亿颗速度极大的质子,轰击靶标,产生出一束束高强度高能量的μ中微子,在地下穿透重重岩石,射向OPERA的乳胶径迹探测器,总共检测到16000个中微子。

CERN离OPERA有730公理,在这个距离上很多μ中微子会转变为τ中微子,检验探测器上探测出的中微子,可以检验粒子物理理论是否正确。这类中微子振荡实验在很多国家的多个实验室开展,分别测量太阳中微子,大气中微子,核电站中微子,以及加速器产生的中微子的振荡,中微子跑动的距离从数十米到一千五百亿公里。

其中比较著名的有美国Homestake中微子探测器(Raymond Davis于1967年到1985年在这里发现了太阳中微子的振荡,获2002年诺贝尔物理奖),日本的神冈/超级神冈探测器(小柴昌俊从1982年开始建造该实验室,在这里发现很多中微子振荡效应效应,获2002年诺贝尔物理奖)。

欧洲科学家在实验中发现,中微子速度超过光速。如果实验结果经检验得以确认,阿尔伯特·爱因斯坦提出的经典理论相对论将受到挑战。光速约每秒30万公里,爱因斯坦的相对论认为没有任何物体的速度能够超过光速,这成为现代物理学的重要基础。如果真的证实这种超光速现象,其意义十分重大,整个物理学理论体系或许会因之重建。

实验里的中微子要比光子快60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒),对于这样一个结果,欧洲核子研究中心理论物理学家约翰·埃利斯评价:“如果这一结果是事实,那的确非同凡响”。法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体,这是“革命性”发现,一旦获得证实,“广义相对论和狭义相对论都将打上问号”。他没有参与这一项目,然而查阅过实验数据。比内特吕说,这项实验中,中微子穿过各类物质,包括地壳,“这也许会减慢它们的速度,但绝不会增加它们的速度,让它们超过光速”。

第二次重复性实验的结果表明,中微子依旧比光提前到达了62纳秒。这在与第一次实验结论完全吻合的同时,也否定了关于中微子脉冲的持续性与实验结果有关的猜测。10月份,欧洲核子研究中心优化了实验方案并开始复核中微子超光速实验,最终“新的测量方法没有改变最初的结论”。

有关超光速的现象,来自一项天体物理学研究提出了一个反对理由。1987年,一颗强大的超新星产生的大量光和中微子涌向地球。虽然中微子探测器观察到这种微粒比光早到大约3小时,但是很有可能是这种超轻粒子先开始向地球方向飞来。中微子很难与物质产生互动,它相对比较容易从爆炸的恒星核里逃逸出来,而光子会被多种元素吸收并重新发射出来,它从恒星核里逃逸出来需要更长时间。如果OPERA试验得出的结果与观测结果一样,科学家认为中微子应该比光早到超过4年时间。

够通过被称作科恩-格拉肖喷射的过程产生虚拟电子对,这些喷射物将会逐渐耗尽超光速中微子产生的能量,导致它们的运行速度放慢下来。

标准物理模型的特性表明,要让中微子的运行速度比光快,电子也要这样。但是如果电子中微子以OPERA试验提出的速度运行,那么电子至少也应该比光速快十亿分之一。很多试验已经确定电子的理论极限,这很好地排除了上述假设。但事实如何,还有待观察。