论中微子超光速与洛伦兹对称性破坏以及质量产生

 2011 年9 月位于意大利GranSasso 地下实验室的OPERA 中微子实验国际合作组发表了一篇预印本(T. Adam et al. (OPERA Collaboration),“Measurement of the Neutrino Velocity with theOPERA Detector in the CNGS beam”,arXiv:1109.4897v2),声称测到了来自730 千米外的欧洲核子中心 CERN 通过高能质子打靶产生μ中微子束流的超光速现象,这一消息很快在 Nature和Science 等新闻媒体上报道,激起了公众的极大好奇。     

中微子质量之探索

 中微子是自旋为1/2的轻子,有电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不同形态。由于中微子不带电,仅参与弱相互作用,不参与强相互作用和电磁相互作用,反应截面极小,所以很难在实验中观测到,对其质量的研究更是困难重重。探索中微子质量的意义中微子质量的研究对最微观的粒子物理规律和最宏观的天体物理、宇宙起源及演化都有重大意义,是探索粒子物理标准模型之外新物理的突破口与关键所在。在传统的粒子物理标准模型中,二分量中微子理论和轻子数守恒定律要求中微子静止质量为零。因为若中微子质量不为零,则根据爱因斯坦相对论,其速度必定低于光速,这样就会出现速度超过中微子的观察者。     

中微子质量,宇称不守恒,中微子振荡及其他

中微子有静止质量是与宇称不守恒的实验事实相矛盾的。而假如它是超光速粒子而有非零的固有质量（如近年来实验数据所显示的那样），才能与宇称不守恒相容。文章从这个新观点讨论了有关中微子五个方面的研究课题。     

物理学咬文嚼字之五十一速度

速度是切空间里的实在．速度对应的词有speed，velocity，celeritas等．光速作为时空连接的参数，它在Maxwell方程中的出现意味着它不是一般意义上的速度．光速c是个整数，或者就是1．利用△x／△t测定中微子的超光速反映的是一种物理学理解上的不足．     

始于尘,归于尘

正过去的七年里,我是一名科学记者,我报道了一些具有划时代意义的重大发现,比如2012年大型强子对撞机发现了希格斯玻色子,2016年LIGO首次探测到引力波等。还报道了一些有争议的说法,如研究人员在2011年的OPERA实验中表示发现了速度超过光速的中微子。不过现代物理学中最令人感兴趣并且以悲剧告终的传奇故事,当属BICEP2实验没有检测到原始引力波的结果。在Losing the Nobel Prize:a Story of Cosmology,Ambi-     

太阳中微子失踪案和中微子振荡

 (续前)五、“中微子振荡”是物理学家的法宝按照粒子物理的标准模型,中微子质量为零,它们以光速运动。存在着3种不同类型(即3种“味”)的中微子:电子型中微子(记为νｅ),μ-中微子(记为νμ)和τ-中微子(记为ντ),它们之间彼此不相关,分别只同电子、μ轻子和τ轻子密切相关。不过,早在戴维斯等人公布首批氯探测器的探测结果的1968年,庞托科沃就提出了这3种“味”的中微子很有可能互相来回地转化,称为“中微子振荡”。在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是νｅ。但它们在从太阳到地球的漫长行进过程中,νｅ不断地转化为νμ和ντ。     

“共存原理”是没有根据的──对《亚光速和超光速映射理论》一文的意见

超光速粒子存在的可能性及其性质是个值得探讨的课题,对超光速粒子的讨论,已有不少工作[1-4].《亚光速和超光速映射理论》以下简称《映射》)一文试图根据对立统一规律,建立亚光速和超光速粒子的统一理论,是应该肯定的.但所提出的“共存原理”没有根据. 按共存观点,超光速粒子与亚光速粒子有完全一一对应的共存关系,凡在加速器中的粒子碰撞时产生一个亚光速粒子就必须“同时产生”一个超光速粒子,这是与大量粒子物理实验的观测不符合的.即使根据《映射》一文的观点,也得不到这样的结果.从文中的(3.8)、(5.5)和(5.6)式可以推得而且沿用该文的…     

《科学》公布2012年度十大科学突破大亚湾中微子实验成果上榜

12月20日,美国《科学》杂志公布了2012年度十大科学突破,大亚湾中微子实验发现中微子第三种振荡模式的成果上榜。《科学》指出,"数百名在中国大亚湾反应堆中微子实验中工作的研究人员报告了一个模型的最后的未知参数,该模型描述了被称作中微子的这种难以捉摸的粒子在以接近光速穿行时,如何从一种类型(或‘味道’)变形为另一种类型。这些结果显示,中微子和反中微子可能会以不同的方式改变其味道,并提示中微子物理可能     

探索凝聚态中的马约拉纳粒子专题编者按

正年轻的意大利理论物理学家马约拉纳在1937年研究狄拉克方程时,发现了一种奇异的粒子,其反粒子即其粒子本身.这种奇异粒子被后人称为马约拉纳粒子.在已知的基本粒子世界,除了中微子,都不是马约拉纳粒子(Majorana),而中微子是否是马约拉纳粒子尚待实验检测.最近以来,探     

科苑快讯

失踪的太阳中微子终于找到了据《科技日报》报道 :自 2 0 0 0年美日韩科学家发表实验结果 ,确认中微子有质量后 ,近日由加拿大、英国和美国的科学家组成的国际物理学科研小组宣布 ,他们在加拿大萨德伯里中微子观测台进行的实验中又发现 ,太阳中微子失踪的原因在于中微子在从太阳到地球的旅途中本身特性发生变化。这一发现揭开了 30多年来困扰物理学界的中微子失踪之谜。近代粒子物理理论认为 ,中微子是一种不带电、质量很小的基本粒子 ,分为电子中微子、μ介子中微子和τ中微子 3种形式。中微子极少与其他粒子相互作用 ,因而“行径诡秘” ,…     

切伦科夫（Cherenkov，Pavel Alekseyevich，1904-1990）俄国物理学家（Physicist，Russia）

切伦科夫1928年进沃罗涅日大学学习。从1930年起，在前苏联科学院物理研究所工作。他的重要发现是：亚原子粒子的能量越大，它运动得就越快：但它永远不能比真空中的光速快。然而，光通过水等透明媒质时，速度要比在真空中慢。这时，高能粒子通过这类媒质时，它的速度就可能超过光在该媒质中的速度。这样，它就会拖着一条发光的“尾巴”。     

Higgs粒子初露端倪

最近几年 ,全世界的粒子物理学家都会注视位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心ＣＥＲＮ的大型电子正电子对撞机ＬＥＰ寻找Ｈｉｇｇｓ粒子的实验结果 .粒子物理的标准模型认为 ,构成物质的最小单元是轻子和夸克 .共有 6种轻子 ,它们是电子和电子中微子、μ子和 μ中微子、τ子和τ中微子 ;6种夸克 ,它们是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克 .传递相互作用的粒子是光子、中间玻色子(Ｗ ,Ｗ-,Ｚ0 )和胶子 .而由于存在Ｈｉｇｇｓ粒子 ,产生真空对称性的自发破缺 ,上述所有有质量的粒子的质量都是通过与Ｈｉｇｇｓ场相互作用而获得的…     

中微子对宇宙大尺度结构的非线性效应

中微子的特性是现代物理学的重大问题之一。在粒子物理标准模型中有三类中微子,中微子振荡实验测量出不同中微子的质量平方差,表明中微子的质量总和不为零,并给出了中微子质量和的下限:0.05eV。中微子质量对宇宙演化有着复杂的影响。在宇宙早期,中微子为相对论性粒子,作为辐射能量密度,从而改变了物质辐射的能量密度比。基于此效应,宇宙微波背景辐射(CMB)的观测给出了中微子质量总和的上限:0.2eV。     

封面照片说明

众所周知，科学家们首选的粒子物理标准模型为：所有物质是由6种夸克——上、下、奇异、粲、顶和底夸克——及比夸克轻得多的粒子，如电子和中微子等构成的。这些粒子的存在已被令人信服的证据所证实。但该模型还需要宇宙中存在有希格斯玻色子（Higgs Boson），希格斯粒子表现为引力，它在某些粒子周围很密集，而在另一些粒子附近则很少。正是这种聚集的密度赋予粒子以质量，因此，夸克很重，电子很轻，而光子则根本没有重量。     

超光速存在吗？

本文通过实例说明自然界确实存在超光速现象，但这与狭义相对论并不矛盾。问题在于狭义相对论说的是“实物粒子的速度不可能大于真空中的光速”，它并没有排除存在超光速现象的可能性。     

物理上一个新的发现——宇宙由三代基本组份构成

 最近美国斯坦福直线加速器中心的SLC和西欧联合核子中心LEP相继宣布他们的实验结果,都表明宇宙中有三种中微子,即电子型中微子、μ型中微子和τ型中微子.这一结果已在粒子物理学界引起震动.以至于有人认为这一发现可望获得诺贝尔奖金.这一发现的意义是什么呢?让我们从基本粒子的家族说起.半个世纪以来,人们对构成宇宙的基本物质成份的认识有很大的变化,从质子、中子、电子为主体的基本粒子简单家族,陆续发展为有数百种粒子庞大的基本粒子家族.六十年代初的实验事实揭示了众多的基本粒子并不基本,并有其内部结构.所以人们已不再使用基本粒子这一名词,而统称为粒子.故通常将高能物理学又称为粒子物理学.     

关于狭义相对论本质的十个论据

为寻找狭义相对论的本质,我们逐渐积累了10个论据,在量子力学基础上集中到一个基本假设:一个粒子总是不纯的,它总是包含着两个对立的场,φ(x,t)与χ(x,t),它们耦合在一起,并服从如下的对称性:φ(-x,-t)χ(x,t),χ(-x,-t)φ(x,t)。在一个粒子态中因|φ|>|χ|,φ占主导地位,但随着粒子速度增长,隐藏的χ场随之增大,这导致各种奇异的狭义相对论效应。在新定义的空一时反演(x-x,t-t)下,因φ(x,t)φ(-x,-t)=χc(x,t),　χ(x,t)χ(-x,-t)=φc(x,t)而|χc|>|φc|,于是粒子便变为它的反粒子,具有同样的动量与(正的)能量。上述对称性应当作为构造狭义相对论,相对论性量子力学,量子场论和粒子物理的出发点,其中关于中微子的超光速理论又是特别有兴趣的。     

中微子的静质量

中微子和它的反粒子──反中微子是一类很奇怪的基本粒子.它是宇宙中数量最多的一种粒子.宇宙中光子的数量大约是量子的 108倍,而中微子比光子还要多.可是,由于它与物质的相互作用很弱,很难对它作直接的观测,至今人们对它的基本性质还了解得很有限. 通常都认为它的静质量是零,因此以光速运动.它不仅不带电荷,而且没有磁矩.它不参与强相互作用和电磁相互作用,只有弱相互作用.世界上只有左旋的中微子(自旋方向与运动方向相反)和右旋的反中微子(自旋方向与运动方向相同),不存在右旋的中微子和左旋的反中微子.与电子、μ子和重轻子(子)相应,中微…     

相对论粒子的散射与低速粒子的散射

研究了相对论粒子间散射的规律,推导了相对论粒子间散射的洛伦兹因子公式.结果发现:如果两个粒子的静止质量相同,则粒子在高速时的碰撞规律和低速时的碰撞规律相同,即两个正碰粒子互换速度;如果两个粒子的静止质量不同,则粒子在高速时的碰撞规律和低速时的碰撞规律不同,高速正碰时重粒子将损失大部分能量,轻粒子的速度将接近光速,而不等于重粒子速度的2倍.     

中微子的静止质量

在各种基本粒子中,中微子有着特殊的地位。中微子不带电,它的自旋和电子相同。它不直接参与强相互作用和电磁相互作用,从而使实验上直接观测中微子相当困难,实际上各种物体对中微子来说都几乎是透明的,即使穿过地球也毫不困难。多年来的实验中一直测量不到中微子有静止质量,因此粒子物理学家认为中微子很可能和光子类似是无静止质量的粒子。 然而最近几年来,这个问题又重新引起人们的兴趣。在探索建立关于强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用统一的大统一理论过程中,人们提出了几种不同的模型。在这些模型中从不同角度提出了中微子可能有…