中微子超光速《世界科学》

中微子超光速?我们拭目以待

冯诗齐/编译

● 中微子很神秘，通常很难通过实验进行研究。如果说我们对其一切都不了解，那是过于低调了——它们可能是快子态的，也可能不是。即便能进一步阐明其属性，或将揭示出新的和令人惊讶的结果，人们也希望，这将导致对亚原子世界的更进一步的了解。

　

去年9月23日，参与OPERA(采用感光追踪仪器的振荡项目)项目组的物理学家出人意料地发表了一项公开声明，称根据他们的测定，平均能量约17GeV的μ介子中微子的速度比光速要快。与此同时，大量对该效应进行说明、解释和驳斥的文章以每天翻几番的速度涌到arXiv预印本网站服务器上。就像一幅卡通画中下赌注的人所说，当尘埃落定，OPERA的断言将会被驳倒，尽管该断言符合所谓的六西格玛（6σ）标准。

科恩、格拉肖：不可能超越光速

在这些驳斥者中，最突出的是波士顿大学的安德鲁·科恩(Andrew Cohen)和谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)，他们通过传统的运动学和动力学方法展示，OPERA声称的速度和能量大于12.5GeV的中微子不能稳定地发射正负电子对，在抵达OPERA粒子探测器之前就将辐射它们的多余能量。科恩和格拉肖认为，任何低于报告数据的这种能量的缺失，不可能超越光速。

不仅如此，和OPERA同样位于意大利格朗萨索实验室的伊卡洛斯协作项目(ICARUS)，他们通过使用与OPERA相同的欧洲核子中心（CERN）的中微子束，仔细搜索了由科恩和格拉肖预测的正负电子对，也报道称未有发现。

然而，OPERA的结果是如此令人吃惊，且如此不符合公众的判断，以致于某些作者已经决定放弃传统的运动学和动力学，并认为科恩-格拉肖的分析并不适用于实际检测到的东西。

OPERA实验本身从概念上来说非常简单。中微子在CERN中生成并由设在相距730公里外的格朗萨索的地下装置检测。这段距离的测量非常精准，达到20厘米的精度，包括采用GPS数据和在两个实验室放置了同步时钟（将两地距离除以产生和接收的时间差得到的就是速度）。光需要花费约2.5毫秒走完这段距离，而OPERA则探测到中微子走完这段距离比光快了60纳秒。

中微子是在CERN超级质子同步加速器中相互撞击的质子产生并进入到石墨靶标，其碰撞导致产生大量介子和K中介子，后者随后衰变为μ介子和中微子。原始的质子爆裂持续约10微秒，而中微子也同样扩展爆裂。对一个旁观者而言或许最具挑战性的分析是，OPERA如何确定爆裂只有几个纳秒的中微子领先光速。通过三年来持续不断地收集数据、破译超过16 000个中微子事件，OPERA团队声称他们能够做到这一点。

中微子很神秘：很难通过实验研究

许多人正在密切关注这次实验的设计，并声称在分析中发现了明显的缺陷或是微妙的效果，令中微子看似超越了光速而实际并没有超越(“长官，我并没有超速，仅仅是“波包”把我的车描述得过宽了点”——“波包”指在特定条件下，叠加后的波有可能是局域性的，犹如被某种曲面包裹住那样)。同时，也有人构建了一些创新方案以解释中微子是如何传送自己的——一个流行的观点是，通过额外维度的快捷通道，就是引入某个目前还未被发现的地球附近的领域。但大部分建议的说明都涉及违反洛仑兹不变性(Lorentz invariance)假设。

其中，一条有助于问题解决的信息是OPERA结果的能量依赖。即实验在测量中微子能量传播的同时，存在没有用足够的精度去确定中微子速度是如何依赖能量的。在其他方面，能量依赖对于与来自SN1987a超新星爆发的数据进行对比可能是决定性的——因为它对中微子与光速的偏差设置了一个上限——在OPERA所看到的四个数量级中，中微子的能量则小于设置的能量上限。

无论最后结局如何，仅凭OPERA得到的结果无法确定中微子比光速快。如果这一结果经过了仔细推敲，依然要通过进一步的实验来验证。看来MINOS(主注入器中微子振荡搜寻)实验做好了完成此项验证工作的最佳姿态（在明尼苏达州一矿井检测来自费米实验室的中微子）。2007年，MINOS曾做过类似的一次测量，使用了平均能量为3GeV的中微子束，虽然因其实验精度不足而未宣布其发现，但至少符合超光速的中微子速度。

另一方面，如果OPERA的结果无法通过进一步的验证，也并不能说明中微子不比光速快。快中微子(tachyonic neutrinos)的想法已经存在很长时间，而更广意义上的对快子的研究甚至更早。在过去的25年中已经发现了快子特性存在的迹象——从β衰变终点上的电子中微子质量测量，到介子衰变中μ中微子质量的测量——无论是MINOS还是MiniBoone(微型增强中微子实验)，都已报道了中微子和反中微子的振荡，这种振荡可能表明CPT对称(电荷、宇称、时间)的破坏。由于CPT对称源于洛仑兹不变性和其他宽泛的假设，这些结果可能会提供额外证据，以弥补洛仑兹不变性在中微子超光速传播方面存在的不足。

中微子很神秘，通常很难通过实验进行研究。如果说我们对其一切都不了解，那是过于低调了——它们可能是快子态的，也可能不是。即便能进一步阐明其属性，或将揭示出新的和令人惊讶的结果，人们也希望，这将导致对亚原子世界的更进一步的了解。

[资料来源：Physical Today][责任编辑：则 鸣]