科学家是通过什么手段测定中微子的速度

如题所述

历史上,这并非第一次得出中微子超光速的结论。在1987年观测超新星SN1987A发射的中微子,得出过|v-c|/c < 2×10-9结论。注意这个绝对值,只能说明中微子速度极其接近光速,而非超光速;2007年的MINOS实验确实得出了(v-c)/c = 5×10-5的结果,但是误差较大。这一次,OPERA探测器是怎么做到以极高的精确度测出中微子超过光速呢?

精确测量速度,需要精确测量路程和时间,即使发现中微子超光速的复杂实验也不例外。

A地:起点,位于欧洲核子中心(CERN)的中微子束源CNGS

B地: 终点,732公里外的意大利的Gran Sasso实验室(LNGS)的中微子探测器OPERA

在介绍测量时间和路程之前,先简单说明一下中微子在A地的产生过程。如下图。高能质子与石墨发生反应,产生介子。介子在10-8秒的时间尺度上衰变为µ子和对应的µ中微子。还有些其他的衰变过程没列在图上,比如还会产生1%的电子中微子。中微子几乎不和物质相互作用,所以用阻挡器把其他粒子截留,只容中微子通过。实验中用的中微子平均能量在17GeV,是为了研究µ中微子转化为τ中微子的“中微子振荡”问题。

为了测量时间,需要对两地的钟做精密的对准:当A地的信号发出后,B地需要知道这个信号发出的时刻(叫它时间零点),并且同时开始计时。这很不容易做到。
为做到两地零时刻的差别小于2纳秒,实验用到高精密的GPS和铯原子钟,并且每一部分电路的响应以及延迟都被严格的考虑进去。

实验并不是测量一个质子或一个中微子的信号,而是测量一个脉冲里的时间结构。上图中的BCT探测器起了测量时间的作用。时间结构信号是在强度随着时间的关系,如下图。由于AB两地的零时刻已经对准,所以只要知道在什么时刻脉冲到达B地即可。

在同样的距离远处,粒子如果以真空光速运动,则可以算出到达的时间,见上图中的棕色方波信号。实验的意义就在于,中微子到达时间比光还要早,也就是中微子超过了光速。

实验并没有和光速比较,也就是并未真实测量光速,只是假设了“如果粒子以光速传播”的到达时间,所以两地距离的测量也就格外重要。在一个和光速比较的情形里,实验可以不管两地距离,直接比较光束和粒子束谁用的时间较短。

为了使得距离测量精确,实验室各个设备间距的总误差在毫米量级;实验使用全球测地参考坐标系统ETRF,精确考虑了地球的3维结构和曲率,并把它与GPS信号做比较,获得了2cm的空间距离精确度。由于OPERA探测器在地下,做基准时与GPS产生一定误差,使得最终的距离不确定度约为20cm。在这样的设计下,地壳的运动,潮汐的效应等也被排除。在2009年发生的一场地震,使得两地距离发生了7cm的变化,但是这对于测量精确度影响甚微。最终测量的距离,从A地的BCT探测器起,到B地的OPERA中微子探测器止,是731278.0±0.2m。

为了保证实验的精确度,除了减小时间和距离测量的系统误差,还需增加有统计上的置信度,减小统计误差。为此,实验积累了从2009年到2011年三年的数据,选取了16111个数据点。其中有7586个内秉数据,8525个外在数据。内秉数据由探测器的电路直接读到,可以研究中微子振荡,外在数据需要同时有µ子的探测来佐证判断数据的可靠性。

就这样,精确测量对准两地时间,测量两地距离,减小统计误差,实验得出了中微子速度v与光速c的关系:(v-c)/c=2.48×10-5,即中微子速度比光速快了每秒钟7.4公里。
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