勵之：CERN-Gran Sasso 的中微子超光速實驗

方勵之：CERN-Gran Sasso 的中微子超光速實驗 ( 鏈接 )

發布者 HT 在 11-09-24 16:07

從昨天（09/22/2011）旁晚開始，物理界好像炸了鍋，瘋傳一則消息：CERN （日內瓦）和Gran Sasso （巨岩，意大利）的中微子實驗發現，中微子的傳播速度超過光速！今天紐約時報等大小報紙也跟著湊熱鬧：二十世紀最有名的物理公式，

E=mc²

中的c 不是常數了 ！似乎愛因斯坦就要完蛋了！

別忙著下結論，先看一下CERN 和Gran Sasso 到底幹了什麼。

CERN 和Gran Sasso 兩個實驗室我都去過。前者擁有世界最大的粒子加速器，後者是世界最大的地下的粒子和天體物理實驗室。CERN - Gran Sasso 的中微子實驗，想法很簡單，如圖1所示，在日內瓦的CERN（圖左邊）產生一束中微子，射向意大利的Gran Sasso （圖右邊）。 他們 測量中微子從CERN 飛到Gran Sasso的時間，又知道，CERN 到Gran Sasso的距離，就測得中微子的飛行速度了。



圖1： 虛線是 中微子從 CERN 到Gran Sasso 傳播途徑

由於地球是球狀的，中微子從 CERN 到Gran Sasso 的直線傳播途徑都在地下。中微子可在地球中自由穿行，如入無人之境。中微子傳播途徑（圖1的虛線）對應的地麵上，有許多有名的地方：勃朗峰 （阿爾卑斯山的最高峰），Piemonte （葡萄名酒產地），佛羅倫薩（文藝複興的源點），Arezzo （著名電影“美麗人生”的故事背景所在地，影片在戛納電影節試映時，全體觀眾起立鼓掌長達12分鍾之久，個個含淚步出影院。它是我看過的所有二戰影片中，最好的）……

中微子地下直線穿行距離732公裏，根據中微子在CERN的發射時間和在Gran Sasso 接受時間，就可求出中微子的穿行速度。該實驗團隊宣稱，中微子的穿行速度比標準的光速（299792458 米/秒）大 0.0025%。昨晚，他們的論文已在網上貼出（見arXiv：1109.4897v1），題目是“Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector”，作者共174人，來自大小諸國。在大國中，有法，意，日，德，俄，沒有美，英，中。

直到寫此文的時候，同行對CERN – Gran Sasso 結果的態度，似乎持保留或觀望的居多（當然，我是在美國的統計）。

原因之一是，它與超新星1978A 的觀測結果矛盾。超新星爆發時會產生強光及中微子。1978A爆發時，小柴昌俊,（Masatoshi Koshiba，獲2002年物理諾獎 ）的地下中微子實驗室接受到了中微子信號。而且，中微子信號到達時間幾乎同1978A的光信號幾乎一樣。由於1978A距地球約17萬光年，如果光速度與中微子速度哪怕隻有極小（10^-9）的差別，中微子信號也不可能與光信號同時到達地球。跑得快者先到，慢者後到。而CERN – Gran Sasso 結果是光速度與中微子速度有10^-5 的差別。果如此，光信號將比中微子信號晚很多年。

所以，還不忙接受CERN – Gran Sasso 的結果。

等等看， CERN - Gran Sasso 的中微子實驗結果能否被其他獨立的實驗證實。日本的超級神岡探測器，美國費米實驗室的設備，都可能重複做類似的實驗。

有人已經急著建立新理論了，說中微子速度之所以比光快，是因為中微子走了（高維空間中的）捷徑雲雲。暫時不必當真。

1987年，Gran Sasso 實驗室正在建設時，我去過一次。Gran Sasso 實驗室建在Gran Sasso 山底部。它由三個大山洞組成。山洞之間有隧道相通。與外界聯係也是隧道 （圖2）



圖2：Gran Sasso 實驗室的示意圖。它由三個實驗室山洞和隧道組成。隧道可通汽車。

Gran Sasso 實驗室由意大利修公路的公司承建。意大利的高速公路，山洞極多。給實驗室挖幾個山洞，不在話下。聽說，貴州的高速公路也是意大利公司承建，因為山洞極多。

2006 年，當CERN - Gran Sasso 中微子實驗在建設時，我又去過 Gran Sasso (圖3)。從照片可以看到山洞實驗大廳的規模，CERN-Gran Sasso 中微子實驗的終端探測器OPERA （The Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus），即建於此大廳裏。OPERA這個名字是著意取的，不懂一點威爾弟，普契尼，大概很難混進OPERA 團隊。



圖3: 2006年我和同事訪問CERN-Gran Sasso 中微子實驗山洞。

Gran Sasso 是風景旅遊勝地（圖4）。但在 Gran Sasso實驗室裏工作，卻極為單調煩悶，因為環境孤立。隻有在孤立安靜的環境中才有可能探測到中微子的微弱信號。在 Gran Sasso實驗室，常常雇人來做單



圖4，Gran Sasso 景觀

調煩悶的工作，但工資不菲。九十年代時，Gran Sasso實驗室一直雇有這類中國雇員。他們大多是中國科學院的年輕研究人員。現在幾乎沒有了，或雇不到了，因為中國科學院的工資也不菲了。

9/23/ 2011, Tucson

http://cnd.org/my/modules/wfsection/article.php%3Farticleid=30096