本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
对于一种幽灵般的粒子,甚至对恒星或行星的巨大质量都视而不见,中微子确实能引起轰动。在 1960 年代,它们似乎以预期速率的三分之一从我们太阳核心的核过程中出现,引起了轰动——这就是所谓的太阳中微子“问题”。在 1980 年代,它们似乎可能提供宇宙“暗物质”本质的解决方案——但实际上并没有,因为它们快速的特性会抹去早期宇宙中太多的小结构,比如星系这些烦恼。一直以来,我们还没有完全确定它们的实际静止质量,尽管它一定很小,可能小于电子静止质量的百万分之一。
如果在这个浩瀚的宇宙中其他地方存在任何可识别的智能生命,人们只能推测,当他们感到困惑时,他们也会花费大量时间挠他们身体的任何部位。对于由普通物质组成的外星生物来说,中微子不太可能比对我们更容易接近。上周,中微子再次在地球上引起轰动。正如无数的推文、帖子、报告和片段报道的那样,中微子探测实验 OPERA 公布了他们的分析结果,表明高能(17 吉电子伏特,GeV)缪子中微子可能以略微超过自由空间光速约 0.00025%(正负约 0.00006%)的速度穿过 730 公里的地壳。
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我们预计一个(亚光速)中微子的速度到底会有多快?嗯,就像我问网球或高速行驶的火车这个问题一样,这取决于它的能量。为了方便讨论,假设最重的中微子重约 3 eV(相比之下,普通电子的质量约为 510,000 eV),并且它以超相对论速度运动,使其总能量约为 10 吉电子伏特,那么它的速度将小于光速,仅仅慢 0.00000000000000001 %。有理论提出,中微子可以通过额外的(大的)维度“走捷径”——被称为“脱离膜”——预测在相似的粒子能量下,速度可能会与光速相差(甚至超过)高达 0.01%。
如果 OPERA 的结果是正确的,那将指向一些非同寻常的事情。我们从小就被告知,对于物质来说,唯一明智的做法就是永远不要超过(甚至达到)光速。这是爱因斯坦狭义相对论的一个基本组成部分,狭义相对论是现代物理科学中经过最好验证的理论之一。我在这里不赘述细节,但对于有质量的物质来说,要超过光速会带来很多麻烦,其中最重要的是因果关系的最基本概念——无论是在微观尺度还是宏观尺度上。因此,至关重要的是要考虑中微子的下一步是什么?我们接下来该怎么做?
两个主要途径是显而易见的。首先是其他人分析和重新分析 OPERA 的结果,仔细检查实验的每个方面,看看是否有一种解释可以解释他们的结果,而不需要超光速中微子——这可能是平凡的,也可能是复杂的,甚至可能是出乎意料的。第二种方法是让某人在其他地方进行另一个实验,进行相同类型的测量,但完全独立。
费米实验室的粒子猎人登场了,或者更确切地说,是费米实验室的粒子猎人再次登场。早在 2007 年,MINOS 实验就展示了一项非常相似的高能中微子速度测试的有趣结果。与 OPERA 非常相似,MINOS 使用人工中微子束(能量略低,为 3 吉电子伏特),穿过地球上类似的距离——在本例中,从芝加哥郊外到位于明尼苏达州北部一个废弃铁矿 700 米深处的 5.4 千吨探测器,行程 734.2986 公里。四年前,MINOS 合作组织发布了关于中微子和光之间速度差异的约束,约为 0.005%,不确定度为 0.003%,置信水平为 68%——有利于超光速运动。它没有像公众那样受到同样的关注,但它肯定在粒子物理学界引起了热议。
现在看来,MINOS 团队将回去重新分析他们的数据,以努力降低他们的不确定性水平,并尝试进行一些新的实验。这显然现在至关重要,但这将需要一些时间,至少需要 6 个月的时间进行分析,可能需要一年或更长时间才能进行进一步的实际实验。所以,好消息是,对 OPERA 结果的两个明显的后续行动似乎正在进行中,坏消息是,我们必须等待一段时间才能知道结果。
与此同时,正如备受讨论的 1987a 超新星的中微子结果一样(如果像 OPERA 声称的那样超光速,来自恒星核心坍缩的中微子本应比超新星的光早到大约 4 年,但实际上并没有),我们可能需要将目光投向自然界。如果万一像中微子这样的粒子真的可以超光速旅行,那么是否有其他宇宙现象会暴露这种行为呢?我们绝对应该保持警惕,最重要的是,尽量不要眨眼。