中微子超光速是真是假？

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中微子又译作微中子，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ν表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

2011年物理界最具轰动效应的新闻是中微子的速度可能超过了光速。意大利OPERA（中微子振荡乳胶径迹）小组发现，中微子在飞行730千米后，到达探测器的时间比光在真空中走同样路程所花的时间还要少60.7纳秒，中微子的速度比真空中的光速快10万分之2.48，每秒钟要多要跑7千米左右。

中微子是什么

中微子是一种不带电荷，质量非常小的基本粒子。在我们周围存在大量中微子，主要来源于太阳内部的核反应，在电影《2012》中，来自太阳的中微子与地球岩层发生作用，加热地壳，大量熔岩溢出，大陆板块加速漂移，引起超级地震，火山和海啸，一片世界末日景象。实际上这不可能，因为中微子与其他物质发生相互作用的几率非常小，穿透能力极强，可以轻松穿越很多颗地球而不发生相互作用。实际上每秒钟有一千万颗太阳中微子穿透我们的身体，我们却感受不到这种幽灵般的粒子，人体和地球对它是几乎透明的。

中微子的检测

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，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。此次发现中微子速度异常现象的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。

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。CERN离OPERA有730公理，在这个距离上一些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，到目前为止OPERA共检测到16000个中微子，其中一个为τ中微子。很多实验进行过这类中微子振荡实验，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，目前正在进行的一项实验是T2K实验，从位于日本东海市的质子加速器J-PARC产生中微子，发射到250公里以外的神冈中微子探测器）。2007年位于美国明尼苏达州的MINOS实验组开展过与OPERA几乎相同的实验，他们所采用的是费米实验室产生的μ中微子束。中国在大亚湾核电站附近也建有中微子实验室，主要研究电子中微子向τ中微子的转变。

中微子超光速？

OPERA的实验方法是非常平常的，但这次实验得到了一个如此意想不到的副产品中微子比光快，而且能量越高的中微子速度似乎越大（注从论文结果来看是这样，但OPERA发言人在新闻发布会上否认了这种关联性）。按照狭义相对论，这些能量非常高的中微子的速度和真空中光速应该几乎相同，只比光速小大约每秒钟0.03纳米。这一结果违反了大多数物理学家一直认为是常识的一条规律任何物体的运动速度不能超过真空中的光速。如果这一实验结果被证实，这将是本世纪最重要的科学发现。

虽然中微子的探测比较复杂，中微子的速度测量原理非常简单精确测量出探测器到发射器的距离以及中微子在路上所花的时间，两者相除就得到中微子的速度。实验小组采用了最精密的原子钟和GPS对时方案光纤同步传输信号方案，对中微子运行时间的测量可以精确到10纳秒以内；实验小组精确测量了加速器和探测器之间730千米的间距，先通过GPS系统测量出CERN和OPERA的室外基准点的距离，再从全站仪一步一步测量出探测器到基准点的距离，GPS系统可以准确到为2cm，全站仪可以准确到20cm左右。OPERA位于隧道内，测量时为了准确起见还封锁了隧道内的公路。时间和距离的测量都反复进行过多次，得到中微子可能比光速快这一重大而又违反常理的发现后，实验小组又反复检查了六个月，排除了所有可能的实验误差，包括月球潮汐影响，地球自转影响，地震影响，温度和云层对GPS信号传递的影响等等。考虑到所有这些后，实验小组相信这一结果的置信度达到99.9997%。在正式公布最终结果以前，实验小组和全球同行进行了广泛的交流，直到发现没有任何漏洞，才于9月22日公布了实验结果，给出了详细的实验方案，供大家检验是否还存在漏洞，并呼吁其他实验室来证实或者否定他们的实验结果。

其他中微子实验的结果

值得指出的是2007年美国MINOS实验小组得到过几乎一样的结论，他们进行了几乎完全相同的实验，连加速器到探测器的距离都非常接近MINOS为734千米，OPERA约为731千米），唯一区别是MINOS采用的是能量为3GeV的μ中微子，而OPERA采用的主要是17GeV的μ中微子，实验结果是中微子速度比光速快十万分之5.1，非常接近OPERA的结果（快十万分之2.48），但此次实验由于中微子事例少，实验不确定性比较大，当时未能引起重视。MINOS将很快重新开展实验，实验精度会非常高，有可能将运动时间精确到1纳秒以内，以检验OPERA的结果。

前面提及过的日本T2Ka实验得到过极微弱的超光速迹象，只是三月份的大地震中实验装置受到一些损坏，该实验有望于2012年开始记录数据。

OPERA所遇到的最大挑战是著名的超新星SN 1987A的中微子爆发事件。1987年2月24日这颗位于大麦哲伦星云的超新星突然爆发，抛洒出大量中微子和各频段的电磁波，在几个月时间内这颗超新星用肉眼都可以看到，它是1604年以来最亮的超新星。超新星爆发时发出的光线来到地球的3小时前，世界各地有三台中微子侦测器侦测到一股中微子爆发，共有24颗中微子被探测到，其中日本神冈探测器11颗，美国IMB探测器8个，俄罗斯BAKSN探测器5颗。这24颗中微子开启了中微子天文学这样一门新的学科,对恒星演化和粒子物理研究具有极大价值。

这些中微子长途跋涉16.8万年，几乎到达地球，前后相差只有13秒，虽然他们比光先到达地球，看起来中微子速度比光要快，其实不然，中微子与其他物质相互作用极弱，在超新星爆发的瞬间就离开超新星了；而光子则会与周围的物质粒子发生频繁碰撞之后，才能拖泥带水地逃离。SN 1987A距离地球16.8万光年，如果OPERA实验是正确的，中微子速度比光速快十万分之2.48，那么SN1987A中微子到达地球的时间会比光早4.2年而非3小时。这个论述值得商榷，OPERA实验采用的是高能μ中微子；而SN 1987A释放的是低能电子中微子，能量和中微子类型都不相同。不过即使考虑这些，也不足以造成如此大的区别。