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比光还快的中微子

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过去,只有谣言传播的速度比光还快;现在,欧洲核子研究中心的OPERA实验显示,似乎还有一种物质的速度超过了光速,这就是中微子。如果这个发现被证实,那么爱因斯坦的相对论将面临严峻挑战。

  文 _ 闫真

  9月23日,法国里昂核物理研究所,达里奥·奥蒂耶罗的研究小组表示,日内瓦CERN一台粒子加速器发射的中微子,以超过光速的速度抵达意大利Gran Sasso的一个地下实验室,二者之间的距离为454英里(约合730公里)。计算结果显示,中微子的速度比光快60纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)。而1905年,爱因斯坦的相对论将光速定为宇宙速度极限,这也是现代物理学的基石。

  Q:中微子究竟是什么?

  A:1930年,物理学家泡利假设了一种新的看不见的粒子,并称其为中微子,目的是假设某些放射性实验中似乎破坏了物质和能量守恒的消失的那部分能量。然而,中微子与物质的相互作用非常微弱,难以观察到。假如我们能造一个巨大的铅块,将它从太阳系拉伸几光年到半人马座α,把它放在中微子束的行进路线上,一些中微子仍能从另一端穿出来。因此,神秘的中微子无时无刻不在穿过地球,穿过建筑物,包括我们的身体,但由于它们只参与弱作用力,并不会造成伤害。

  泡利也因为预测中微子而获得了1945年的诺贝尔奖。

  Q:有没有什么物质由很多中微子组成?

  A:没有物质只包含中微子,但每种物质都离不开中微子。过去我们知道物质由质子、中子和电子构成,但量子力学对它们做了细化:12种夸克和轻子(统称费米子)以及4种代表作用力的玻色子。在轻子中,包括电子、μ子(读“miu”)和τ子(读“tao”)和相应的电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

  Q:既然中微子那么隐秘,我们又如何知道它们存在?

  A:中微子虽然极少与物质接触,但每隔一段时间,总要与原子发生碰撞,产生使人们可以观察到的信号。1956年弗雷德里克·莱因斯首次检测到中微子,为此他获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

  1987年,当一颗超新星照亮南半球天空时,物理学家们注意到一串突然袭来的中微子穿过了他们深埋在矿井中的探测器。这是中微子探测器首次用于进行重要的天文学测量。

  最常见的情况是,实验中使用大量的水或油。一旦中微子与那些水分子或油分子的电子或原子核相互作用,会发出传感器可以检测到的闪光。

  Q:这些实验都在哪些地方进行?

  A:为避免干扰,中微子监测器总是位于地面以下。OPERA探测器就设立在意大利Gran Sasso的山区,用于接收从CERN发射的高能粒子束。

  另外,地中海深处数英里的位置有一个ANTARES探测器,南极洲的冰川下埋藏着一个“冰立方”探测器。这两个探测器接收的是自然界中的中微子。

  Q:这次OPERA的实验是怎样进行的?

  A:整个实验从CERN一座建筑内的一罐氢气开始。来自这个罐子的氢原子被剥离电子,成为裸质子,而后借助一系列粒子加速器加速,最近进入大型强子对撞机的主环。在OPERA实验中,高能质子以10微秒脉冲的形式轰击一个石墨标靶,产生高能介子。介子随后衰变成中微子,中微子朝着Gran Sasso的方向消失在地球中。最后,抵达Gran Sasso实验室的中微子穿过铅块和感光胶片。整个过程都有非常精确的GPS定位及定时测量。所以实验团队知道中微子传播的距离,以及中微子花了多长的时间在路上,因此可以测量速度。

  Q:中微子真的跑得比光还快吗?

  A:研究成果发布后,OPERA项目的一些资深成员私下认为这个结果还比较初级,并拒绝署名。目前CERN将组织研讨会,可能会公布实验细节,并希望同行对实验结果进行检验。因此,现在还不能说,中微子的速度就一定超光速。值得一提的是,有科学家猜测,中微子或许是走了“高维”的捷径(如虫洞),因此颠覆了四维世界的物理理论。

  Q:中微子还有什么特别的地方呢?

  A:大多数粒子都有两种:顺时针旋转的和逆时针旋转的。而中微子是唯一只会逆时针旋转的微粒,也就是说,它没有通常意义的反粒子。有些理论物理学家认为,这足以证明额外维度的存在,高维空间才能够保存那些“失踪的”右旋中微子。

  或许,看不见的右旋中微子还可以解释暗物质的存在。我们知道,暗物质占宇宙物质的80%。一种观点认为是暗物质将星系聚在一起,防止彼此离散。而右旋中微子可能比左旋中微子重得多,因此可以提供必要的引力。

  Q:有没有什么涉及中微子的实际用途?

  A:中微子在各种核反应过程中产生,也就是说,科学家将可能通过探测中微子来获悉一些秘密核试验或反应堆。另外一些科学家则梦想使用中微子作为一种新型通信系统的基础,使邮件可以传递到世界另一端,无须使用电线、电缆或卫星。

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