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OPERA (实验)

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OPERA(英语:Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)是一项旨在检测中微子振荡现象的实验。此项实验运用位于瑞士日内瓦欧洲核子研究组织超级质子同步加速器产生的高强度、高能量的CNGS(CERN Neutrinos to Gran Sasso)μ中微子束向730公里之外、位于意大利中部山区的格兰沙索国家实验室英语Laboratori Nazionali del Gran Sasso的地下实验室传送。

实验项目

2010年5月31日,OPERA公布了首例从μ中微子束中观测到的τ中微子现象[1]

超光速检测

初始结果

2011年9月22日,OPERA研究小组声称由欧洲核子研究组织传送至OPERA感测器的中微子超光速运动。 经检测这些粒子到达OPERA感测器的时间比假设其按光速运动的预定时间提前了60.7纳秒,而其中仅包含±6.9纳秒的统计误差和±7.4纳秒的系统误差[2]。换言之,光速每秒为接近30万公里,但中微子每秒能比其多跑大约7.44公里;也就是说,中微子的速度比光速还要快2.48×10-5(大约40322.58分之一)[2]。OPERA合作科学家安东尼奥·伊拉蒂塔托解释说OPERA小组没有发现能影响测量结果的任何仪器因素[3]。据报道这个研究小组已进行了16,111次事件测量并达到了统计上的显著性差异水平[4]CERN发言人James Gillies欢迎物理学界的科学家洞察他们的实验成果并在细节上仔细检查。

一些研究组织表示要再现实验结果及寻找潜在的实验失误。费米实验室宣称将着手尝试进行重复实验[5]

重定义的结果

2011年11月17日, OPERA小组发布了一个重定义的结果,进一步缩小了误差范围。测量结果是中微子大约较早到达57.8纳秒, 得出一个相对的速度差约为42194.09分之一。 新的显著性水平成为6.2σ。[6] 这个小组已经提交实验结果到高能物理期刊英语Journal of High Energy Physics进行同行评审[7][8]

同样在这篇论文中, OPERA小组又发布了一个附加分析,基于有意设置的质子束生成的独立的CNGS中微子束, 从2011年10月21日到11月6日。[9] 他们度量了20次中微子侦测事件,标示出中微子比光早到达62.1纳秒, 与主分析的结果一致, 这样超光速得到了进一步的证实。[6]

争议

2012年2月22日,科学新闻网页杂志Science Insider报告,从全球定位系统接收器到电脑之间的光纤缆线,由于与电脑的集成电路卡连接不良,造成了60纳秒延迟。将连接维修后,这问题不再发生。这实验失误似乎可以解释中微子的超光速运动异常现象。但是,仍旧必需做实验拿到更多数据来检验这假说。[10]

2012年3月15日,格兰沙索国家实验室的ICARUS实验英语ICARUS Experiment团队报告,遵守狭义相对论,做实验得到与光速一致的中微子速度。这意味着同实验室的OPERA实验团队先前所获得的中微子超光速异常英语faster-than-light neutrino anomaly结果可能不正确。包括这两个团队在内,实验室的四个团队,计划在同年5月份分别做实验测量短脉冲粒子束的中微子速度,期望届时能够得到正确答案。[11]

结论与后续

2012年4月2日,中微子超光速异常实验结果已确定有误。由于团队的委员会通过不信任投票,实验团队的两位领导者自动辞职。[12]

实验结果一览

较早到达
(盲目分析)
修正 中微子能量 较早到达 速度差 绝对速度差
9月主分析 (16111次中微子事件, 2009 — 2011)
1048.5 纳秒 -987.8 纳秒 17 GeV (60.7 ± 6.9 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒 (2.48 ± 0.28 (统计误差) ± 0.30 (系统误差))×10-5 ∼7.4 千米/秒
9月相关分析 (能量依赖性)
13.9 GeV (53.1 ± 18.8 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒 与主分析一致;
无显著的能量依赖[13]
42.9 GeV (67.1 ± 18.2 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒
28.1 GeV
(平均)
(60.3 ± 13.1 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒
11月主分析 (15223次中微子事件, 2009 — 2011)
1043.4 纳秒 -985.6 纳秒 17 GeV (57.8 ± 7.8 (统计误差) +8.3
−5.9
(系统误差) 纳秒
(2.37 ± 0.32 (统计误差+0.34
−0.24
(系统误差)×10-5
∼7.1 千米/秒
11月相关分析 (能量依赖性)
13.8 GeV (54.7 ± 18.4 (统计误差) +7.3
−6.9
(系统误差) 纳秒
与主分析一致;
无显著的能量依赖[14]
40.7 GeV (68.1 ± 19.1 (统计误差) +7.3
−6.9
(系统误差) 纳秒
28.2 GeV
(平均)
(61.1 ± 13.2 (统计误差) +7.3
−6.9
(系统误差) 纳秒
11月附加分析 (20次中微子事件, 2011-10-22 — 2011-11-6)
(62.1 ± 3.7 (统计误差) 纳秒 与主分析一致

参考资料

  1. ^ N. Agafonova et al. [ OPERA Collaboration ]. Observation of a first ντ candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam. Phys. Lett. B. 2010, 691: 138–145. Bibcode:2010PhLB..691..138A. arXiv:1006.1623. doi:10.1016/j.physletb.2010.06.022. 
  2. ^ 2.0 2.1 http://static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf
  3. ^ Particle May Have Traveled Faster Than Light. USA Today. 
  4. ^ Speed-of-light experiments give baffling result at Cern. BBC News. 
  5. ^ Roll over Einstein: Law of physics challenged (Update 2). Physorg. [2011-09-22]. 
  6. ^ 6.0 6.1 T. Adam et al. (OPERA collaboration). Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. 2011-09-22. arXiv:1109.4897 [hep-ex].  外部链接存在于|title= (帮助) See (arXiv:1109.4897v1) published 22 September, and (arXiv:1109.4897v2) published 17 November.
  7. ^ Edwin Cartlidge. Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains. Science. 2011-11-17 [2011-11-17]. (原始内容存档于2011-11-21). 
  8. ^ Alok Jha. Neutrinos still faster than light in latest version of experiment. The Guardian. 2011-11-17 [2011-11-17]. 
  9. ^ A new proton spill from CERN to Gran Sasso. CERN Bulletin. 2011-11-07 [2011-11-12]. 
  10. ^ Cartlidge, E., Breaking news: Error undoes faster-than-light neutrino results, ScienceInsider (American Association for the Advancement of Science), 2012-02-22 [2012-02-22] 
  11. ^ ICARUS experiment at Gran Sasso laboratory reports new measurement of neutrino time of flight consistent with the speed of light, CERN Bulletin, 2012-03-16 [2012-03-17] 
  12. ^ Embattled neutrino project leaders step down
  13. ^ 请参阅OPERA论文的9月版本(v1)第20页
  14. ^ 请参阅OPERA论文的11月版本(v2)第25页

外部链接

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