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2011-10-28 超光速微中子或許只是神話

 
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The Neutrino beam. Credit: CNGS  OPERA(Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus)實驗的波士頓大學(Boston University)Andrew Cohen和Sheldon Glashow等理論物理學家,在2011年9月22日發表偵測到微中子速度超過光速一文,引起全球震撼。由於光速是宇宙最快的速度這個假設,已是現代許多物理與天文學研究的基礎,有物理學家開玩笑說:這個結果相當震撼,但通常和愛因斯坦挑戰的都會輸。這句話或許即將得到證實,因為現在有另一組人馬,利用相同的儀器,但不同的測量方式,得出超光速微中子實驗結果有誤的結論。

  ICARUS( Imaging Cosmic and Rare Underground Signals)研究團隊的義大利帕多瓦大學(University of Padua)Sandro Centro等人,在義大利阿奎拉省(L'Aquila)附近的Gran Sasso國家實驗室,接收來自瑞士日內瓦CERN高能粒子實驗室所發出的微中子光束,兩地相距約730公里,這是所謂的CNGS計畫(CERN Neutrinos to Gran Sasso)。但與OPERA實驗不同的是,ICARUS實驗不直接測量微中子的速度,而是測量微中子能譜,結果發現其中不存在Cohen等人在3個月前提出的「Cohen-Glashow效應」預測,因此微中子的速度不會超過光速。

  Cohen等人對此新結果並沒有被嗆的感覺,因為他們當初進行實驗所得的能譜也和直接測量微中子速度的結果不一致,他們當初也感到十分懷疑,ICARUS的實驗只是加強了這個問題。對於ICARUS實驗可以在這麼短的時間內獨立複驗這項實驗成果,是很棒的事情。

  Cohen-Glashow效應其實是另一個現象的延伸,物理學家們對此都很熟悉。當光穿越介質,如水或空氣等,速度會比在真空中還低許多;在介質中,如電子等帶電粒子的速度搞不好還能超過被降低了速度的光子。當這種現象發生時,電子會有多餘的動量,並藉由輻射出光子的方式來減少這些多出的動量,即所謂的「契忍可夫輻射(Cerenkov radiation)」。Cohen和Glashow認為超光速微中子應該具有類似的行為,不過因微中子是電中性粒子,所以它們是同時輻射出電子和正電子對,而不是光子。當微中子長途旅行時,這種效應會降低微中子的能量。

  然而,這種能量降低的現象並未出現在曾CERN到Gran Sasso的實驗成果中。事實上,OPERA成員之一的法國核物理研究所(Institute of Nuclear Physics)Dario Autiero指出:OPERA實驗測量到的微中子能量就已經沒看到Cohen-Glashow效應的特徵,所以ICARUS並沒有給他們太大的震撼;而Cohen和Glashow的假設也不見得普遍適用。倫敦國王學院(King's College)理論物理學家Giacomo Cacciapaglia也表示:並不是所有超光速微中子理論模型都有涉及Cohen-Glashow效應;例如,當微中子會因超捷徑、通過額外的空間維度來進行太空旅行時,其速度就可高於光速,而在這種狀況下,微中子就不會發出輻射。

  不過,里斯本高科技研究所(Higher Technical Institute)理論物理學家Jorge Páramos認為:用這種方式來修補理論是個危險的遊戲,因為這需要挑選可能的理論概念範圍,或許將導致與其他已經建立、與光速無關的實驗結果抵觸。

  目前在arXiv論文網上已有超過80篇討論OPERA實驗結果的論文,絕大部分都嘗試以理論解釋,但只有極少數宣稱發現問題。Autiero認為雖然這個研究引起了大眾與媒體的興趣,但要解決爭議只能從科學著手,而且過程得慢慢來,不能急。因為OPERA的結論來自長達6年的實驗成果,雖然後續的發展速度應會比較快,但仍不是幾天內就能解決的。

  儘管有不同的聲音出現,科學家們還是認為是好事,因為畢竟真理得能承受各方的檢驗。目前還有其他2組實驗打算測試OPERA的微中子速度測量實驗是否正確,包括美國伊利諾州的Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS)實驗和日本的Tokai to Kamioka (T2K)實驗。這兩者的結果都在幾個月後才能呈現。

資料來源:http://www.nature.com/news/2011/111020/full/news.2011.605.html?WT.ec_id=NEWS-20111025, 2011.10.20, KLC

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