中微子及其“超光速”問題研究

楊介甫 陳笑梅，唐立軍

(1.湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，中國 長沙 410081;2.長沙理工大學(xué)物理學(xué)院，中國 長沙 410077)

1 中微子的發(fā)現(xiàn)及其類型

20世紀(jì)20年代前后，人們在對核的β衰變實驗研究中測到β粒子的能量分布是連續(xù)譜，而且β粒子能量的最大值又恰好等于核的β衰變能．這就使人們要問：核內(nèi)能級都是不連續(xù)的，為什么會出現(xiàn)連續(xù)能譜呢？

如果在β衰變中只有衰變后的子核和放出的β粒子這二體衰變的話，那么它不僅違反了衰變前后角動量守恒原理，也違反了應(yīng)遵循的同一統(tǒng)計規(guī)律．

理論上可證明：二體衰變的β粒子，應(yīng)有確定的單一能量，不可能有連續(xù)的能量分布．連續(xù)能譜的出現(xiàn)，暗示著還有一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子參加了能量分配．但參加這能量分配的又是什么粒子呢？為什么這粒子又多年未探測到呢？

分析計算中微子與反沖核的能量是一致的,證實了中微子ν存在[1]．

1956至1957年初，李政道、楊振寧揭示了弱相互作用中宇稱可能不守恒和提出二分量中微子理論[2-4]，大大促進了人們對各種弱作用衰變的研究．

(1)

和與式(1)的對比實驗過程：

(2)

同年，Goldhaber等人利用如下過程：

和巧妙的實驗方法，證明中微子只存在自旋單態(tài)，即中微子是左手螺旋運動態(tài)，而反中微子是右手螺旋運動態(tài)[5]．

1958年，Reins和Cowan利用閃爍液中的質(zhì)子對反中微子的俘獲過程：

1962年，Denby等人利用30 GeV交變梯度質(zhì)子同步加速器(AGS)將質(zhì)子加速至15 GeV打Be靶，發(fā)現(xiàn)π-介子和K-介子有如下衰變：

1975年，美國SLAC和德國DESY實驗室利用正、負電子對撞機實驗

e++e-→τ++τ-,

發(fā)現(xiàn)了重輕子τ(mτ≈1 784.2 MeV/C2)和可能的衰變

現(xiàn)在理論上已認定了τ和ντ的存在[8]．

2 中微子的物理特性

中微子具有光子沒有的極強穿透能力，還具有光子沒有的縱向無阻運動特性．如果實驗上能嚴(yán)密測出中微子速度超光速，那是正常的．問題是很難準(zhǔn)確測出中微子的速度．若要較好地了解中微子與光子的速度比較實驗，首先需深入了解中微子的物理特性．

1)中微子靜止質(zhì)量mov=0，主要依據(jù)是：

(1)中微子通過弱作用衰變產(chǎn)生，通過弱作用俘獲而消失，原子核內(nèi)、外都不存在靜止的中微子．

(2)實驗上一直未測到中微子有靜質(zhì)量．(由于根本不存在靜止中微子，當(dāng)然也不可能測到有靜止的中微子質(zhì)量)．

(3)根據(jù)二分量的中微子理論，中微子的靜止質(zhì)量是mov=0；中微子有確定的螺旋性也表明中微子的靜止質(zhì)量mov=0．

2)中微子只參與弱相互作用．不參與電磁相互作用、強相互作用和引力相互作用．主要依據(jù)有：

(1)中微子不帶電，磁矩為0，沒有參與電磁相互作用的基礎(chǔ)和條件，不可能參與電磁相互作用．中微子通過電磁場時不受其影響的事實也說明了這點．

(3)中微子不受引力或反引力的影響．因為中微子沒有靜止質(zhì)量，沒有與其他物質(zhì)發(fā)生引力或反引力作用的質(zhì)量條件．實驗上也未發(fā)現(xiàn)中微子受引力作用的影響．例如太陽的質(zhì)量比地球質(zhì)量要大105倍，相距108km，如果中微子有質(zhì)量而受引力影響的話，根據(jù)牛頓引力公式估算，中微子在太陽表面受到的引力比遠離太陽108km的地方所受太陽引力要大1020倍左右，那么中微子很難脫離太陽引力場來到地球，但實際情況是在每平方厘米地面上大約有1011個中微子從太陽來到地球并穿透地球．這表明中微子未受太陽引力影響．

3)中微子與物質(zhì)作用的幾率極小，穿透力極強．

(3)

(4)

根據(jù)Konopinski等作者給出的關(guān)系式

(5)

(6)

式(6)與式(4)相當(dāng)吻合，這也反映了二分量中微子理論的正確性，表明正、反中微子都是自旋單態(tài)．中微子只能是左旋態(tài)，反中微子只能是右旋態(tài)．

(7)

式中ρ為物質(zhì)的原子密度，在一般物質(zhì)中ρ?1023cm-3，代入式(7)得

因地球直徑d?1.3×104km，則

(8)

式(8)表明：中微子似乎可以通行無阻地穿過1 000億個地球．

4)中微子的其他物理特性

(1)中微子的電荷qv=0；

3 中微子超光速運動的可能性

1)人們對光的基本認識

(1)根據(jù)電磁波存在反射、折射、干涉、衍射、偏振等特性與光波相似，使人們認識到光波可能就是電磁波．

根據(jù)Maxwell的電磁理論可推導(dǎo)出電磁波在真空中的傳播速度為[12]

v=(2.997 8±0.000 1)×1010(cm/s),

而光速在真空中的測量值為

C=(2.997 76±0.000 04)×1010(cm/s),

兩速度相同，使人們確信光波是電磁波；

(3)從長波通訊，可見光波、x射線直至γ射線，都是電磁波．只是波長和頻率不同，也都是橫波；

(4)電磁波的傳播者是光子，電磁相互作用的傳遞者也是光子．

2)愛因斯坦對光的看法

(1)愛因斯坦認為電磁波也應(yīng)服從相對性原理．太陽系里的光速在任何方向和任何慣性坐標(biāo)系中都等于C．他在光速是常數(shù)這一假設(shè)前提下給出了四維時空的如下坐標(biāo)變換式[13]

(9)

式中β=v/C,v是其他物體運動速度;C是光速，很明顯，當(dāng)v>C時，式(9)不能成立，必須用新的表達式來替代．為了防止此類問題出現(xiàn)，愛因斯坦假定：大于光速的速度是不存在的．這就是所謂的光速極限論．

(2)短評：愛因斯坦的光速極限論是他當(dāng)時對中微中運動特性不了解的情況下作出的假定(1954年愛因斯坦就已離世)．并沒有令人信服的依據(jù)．不能作為最終結(jié)論．

3)中微子有可能超光速運動

(1)兩者相似處

① 光子靜止質(zhì)量mor=0，中微子靜止質(zhì)量mor=0；

② 光子不帶電qr=0，中微子不帶電qν=0；

(2)兩者不同處

②光子由光能全吸收而消失，中微子由弱作用俘獲而消失；

③光子是電磁作用的傳遞者，光波有電磁散射等，中微子只參加弱相互作用，不參與其他相互作用；

④光的電磁作用力程很大，從10-13cm→∞遠(宇宙)，中微子作用力程很小， ≤10-13cm(核內(nèi))；

⑤光子由能級躍遷產(chǎn)生， 或正、反粒子對淹滅產(chǎn)生，中微子由弱作用衰變產(chǎn)生；

⑥光波是電磁波、是橫波，已有成熟理論描述，中微子的平均自由程可達1020cm，具有縱向、無阻運動特點,尚缺理論描述．

(3)中微子速度可能超光速．

①兩種速度的可比性：因光子與中微子兩者靜止質(zhì)量mo=0，根據(jù)動量守恒和坐標(biāo)變換中的速度變換法則，可給出兩種質(zhì)量變換式如下：

(10)

(11)

上述式中mo為運動體在靜止坐標(biāo)系中的質(zhì)量；m為該運動體在以等速作相對運動坐標(biāo)系中的質(zhì)量觀測值；v為運動體運動速度；C和Vν分別是作參照的光速和中微子速度．如果C

②從波粒二象性看中微子與光子速度比：根據(jù)德布諾意(De Broglie)波關(guān)系式

可寫出光子和中微子的動量表達式

式中Pc和Pν為光子和中微子的動量；h為普朗克(Planck)常數(shù);C為光速;λc為光子對應(yīng)的波長;Vν為中微子速度;λν為中微子相應(yīng)的波長．當(dāng)Pc=Pν時得

C/λc=Vν/λν,

(12)

如果我們把光子和中微子都看做能量子hv，則可分別得出

當(dāng)hvc=hvν時，也得到C/λc=vν/λν，和

(13)

光波是橫向具有電磁矢量E和H振動隨時空周期變化的橫波，其波譜分布范圍可用圖表示(略)．從其波長分布可知：最長波長也只105cm，比中微子平均自由程要短1015倍．

假設(shè)太陽發(fā)射的光子是在理想的真空傳播，未受任何電磁散射等影響，若把這種理想光子的波長視為從太陽發(fā)射到地面吸收的全程視為波長的兩個端點也只有1.497 6×108km≈1013cm，比中微子通過一般物質(zhì)的平均自由程也要小107倍．

上面我們把中微子和光子從發(fā)射至吸收的全程視為波長兩個端點來比較得到的中微子速度Vν≥107C倍光速．從光速極限論至中微子速度可能大于107倍光速也許人們難以接受，只好等待嚴(yán)密的實驗判定．

4 中微子與光子同時同步進行速度測量問題

1)中微子與光子產(chǎn)生的同時性問題

運動會的100 m賽跑，參賽人必須在同一起跑線，同時出發(fā)，比較中微子與光子兩種速度的快慢，也要求中微子與光子必須同時產(chǎn)生，這就對實驗提出了較嚴(yán)的要求：

①若Δt=0 則表明反中微子先于光子Δτ到達．并可估算出中微子速度；

②若光訊號先于中微子訊號Δτ時間，則表明中微子與光子速度相同；

③若Δt<Δτ，都表明中微子速度大于光速；

④若光子訊號時間先于中微子訊號時間Δt>Δτ，才表明光速大于中微子速度，但這與二分量中微子理論矛盾．也與中微子有確定的螺旋性相矛盾．

(4)太陽中微子的屏蔽問題：太陽的光和熱之所以能長期持續(xù)進行，就是因為太陽內(nèi)部存在一些聚變衰變循環(huán)鏈．例如：

(5)由于反中微子在閃爍液中被俘獲的幾率極小，因此①適當(dāng)加大閃爍液的體積；②增強加速器打靶的粒子束流強度；③較長時期的多次脈沖粒子流打靶實驗，并經(jīng)常更換靶片，以免靶片中殘存的β-,γ放射性而影響測量的可靠性．

由于未見到有關(guān)中微子超光速的實驗資料，目前還不能由實驗結(jié)果分析而支持本文的觀點.文中只是提出一些原則性的意見供參考．

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