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“超光速”中微子实验中的测量问题 精选

已有 18360 次阅读 2011-9-25 15:34 |个人分类:我的物理|系统分类:科普集锦| gps, 大亚湾, 中微子, opera, 速光速

意大利的OPERA中微子实验9月23日公布了中微子超光速的发现,引起了世界范围内的热烈讨论。由于相对论的正确性在一百多年内得到了各种实验的反复的验证,是现代物理学的两大支柱之一,因此人们的第一个反应就是OPERA实验测错了。
 
OPERA实验是一个有200名科学家参与的著名实验,正式发表的结果肯定经过了反复推敲验证,从他们的文章中也可以看到,基本上每个重要的数字都采用不同方法检验,或独立验证。他们出错的概率要比相对论出错的概率大。但是凭空猜测他们哪里做错了,肯定是更不靠谱的。也有可能什么地方他们没有想到。也有可能中微子有什么特殊的性质。下一步最重要的是重复这个试验。
 
OPERA实验是一个中微子实验,但在这里,中微子的探测不是关键,关键是距离和时间的精确测量。在大亚湾反应堆中微子实验中,同样需要测量从反应堆到探测器的直线距离,要求精确到几厘米。我们请高能所加速器中心的测量小组在现场进行了长达几个月的测量。我曾经与测量小组的董岚研究员讨论过几次,试图弄明白他们的测量和分析方法,后来发现太专业,不可能短期内搞清楚。这里只能就我所了解到的说一点,抛砖引玉。
 
问题1:GPS能不能测量到厘米精度?答案是可以。民用的GPS完全可以测到厘米量级。大亚湾中微子实验中,我们在核电厂区内几公里范围内测量精度到了0.5厘米。OPERA实验在730公里的距离上用GPS测量到了2厘米。测量的精度与可靠程度确实与环境条件有关,比如云层、温度,因此一般需要反复测,甚至经年累月地重复测量,抵消环境带来的扰动。这不是一件简单的事,但是是可以做到的,至少比推翻相对论容易得多。
 
问题2:能不能把中微子产生点到探测点的距离测量到20厘米?20厘米是OPERA给出的直线距离总误差。这也是可以做到的。OPERA实验所在的Gran Sasso实验室,位于横贯意大利的Gran Sasso山脉之中,一条高速公路隧道连接山的两边,中间有三个大山洞,建成了这个世界上最大的地下粒子物理实验室。通过GPS可以把室外能够接收GPS信号的两个点确定到2厘米,然后需要用全站仪,一步一步地将测量导向探测器所在的地方。由于不能象室外测量那样多点布控,减小测量误差,这个误差会比较大,特别是路径的锐角转向比较多的时候。此外,GPS的坐标系是一个标准的椭球坐标系,全站仪的测量是在水准坐标系中进行的。在山区,由于重力异常的影响,GPS的椭球坐标系与水准坐标系一般会有一个夹角,需要在室外也用水准坐标系测量一系列点,与GPS坐标系进行转换,这个转换也会带来误差。大亚湾实验从室外基准点延伸到各个地下实验大厅,总长3公里的隧道,最终的精度可以做到好于5厘米。OPERA实验是接近10公里的隧道,转了几个弯才到探测器处,因此,它的直线距离测量的20厘米误差,主要不是730公里的GPS测量造成的,而是最后10公里的测量。
 
除此之外,OPERA还用高精度的GPS接收器监视地壳的微小位移(结果发现小于1cm/年),以及由于地震带来的稍大一点的位移。2009年4月在Gran Sasso的地震导致了7cm的位移。
 
问题3:两台GPS仪器的时间同步能不能准确到1纳秒?这大概是最富争议的地方,有人说OPERA采用的GPS Common View方法不准。其实答案是可以。大亚湾实验不需要这样的时间精度,没有做过。按美国标准局的介绍[1],Common View time transfer方法的典型时间精度是1纳秒到10纳秒。要求两个点不能隔得太远,这样能够接收来自同一颗卫星的时钟信号,而且信号从卫星下行到两个站的路径条件接近,比如气温、大气波动等。OPERA实验中,OPERA与CERN的GPS接收器时钟由瑞典计量局标定,相差2.3+-0.9ns,也就是说准确到了0.9纳秒,这与美国标准局的说法是一致的。这个结果OPERA也请德国标准计量所独立验证了。为了达到这样高的精度,大概也需要长时间地反复校准、测量,排除环境干扰。从洞外的GPS到探测器,采用了8.3公里长的光纤传输时间同步信号,精度可以到标定到1纳秒。
 
第4点是一个很容易被错误理解的地方。OPERA测量的并不是每一个中微子的飞行时间,而是全部中微子的时间分布。有人发挥说OPERA共测到了1.6万次超越光速,发挥错了。由于中微子基本上不与物质相互作用,OPERA用了10的20次方个质子打靶,才探测到了1.6万个中微子。质子是一个束团一个束团地加速、打靶、产生中微子束团的。要很多个束团的质子,才能探测到一个中微子。每个质子束团长10.5微秒,或者说,中微子束团的长度大致是2.8公里。当探测到一个中微子的时候,我们并不知道它是束团中的哪一个质子产生的。由束团前面的质子或后面的质子产生,时间上就差了10.5微秒,远远大于OPERA声称的,中微子比光速快60纳秒的尺度。幸好每个质子束团的时间结构基本上是一样的,因为它们是由同一个加速器制造出来的。质子在加速时,每秒钟需要在环内转4万圈,如果时间结构稍有不对,束团就不能保持在环内。将测量到的所有中微子的时间分布画出来,跟预期的一样,它的时间结构与质子束团的结构是一致的。质子束团的时间可以比中微子产生的时间测得更准。由于能量很高,质子、质子打出的pion介子、介子衰变出的中微子基本上都在一条直线上,都以接近光速运动。从测量质子束团时间的地方,到中微子产生的地方,大约是1.5公里。这里的质子速度与光速相差3.2x10-6,更轻的介子差得更小,而中微子相差10-19,因此不会带来大的不确定度。最终测得的中微子时间分布,跟用光速预言的时间相比,平移了60纳秒。见下图。测量质子束团的时间是OPERA结果中最大的误差,但这属于加速器中的成熟技术。
 
总的来说,OPERA实验采用的距离和时间测量技术,原则上都是可以做到的。虽然不排除某个环节出错,但原理和技术不用质疑。
 
 
 
 


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