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OPERA (實驗)

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OPERA（英語：Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus）是一項旨在檢測微中子振蕩現象的實驗。此項實驗運用位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織超級質子同步加速器產生的高強度、高能量的CNGS（CERN Neutrinos to Gran Sasso）緲微中子束向730公里之外、位於義大利中部山區的格蘭沙索國家實驗室（英語：Laboratori Nazionali del Gran Sasso）的地下實驗室傳送。

實驗項目

2010年5月31日，OPERA公布了首例從緲微中子束中觀測到的濤微中子現象[1]。

超光速檢測

初始結果

2011年9月22日，OPERA研究小組聲稱由歐洲核子研究組織傳送至OPERA感測器的微中子以超光速運動。 經檢測這些粒子到達OPERA感測器的時間比假設其按光速運動的預定時間提前了60.7奈秒，而其中僅包含±6.9奈秒的統計誤差和±7.4奈秒的系統誤差[2]。換言之，光速每秒為接近30萬公里，但微中子每秒能比其多跑大約7.44公里；也就是說，微中子的速度比光速還要快2.48×10-5(大約40322.58分之一)[2]。OPERA合作科學家安東尼奧·伊拉蒂塔托解釋說OPERA小組沒有發現能影響測量結果的任何儀器因素[3]。據報道這個研究小組已進行了16,111次事件測量並達到了統計上的顯著性差異水平[4]。CERN發言人James Gillies歡迎物理學界的科學家洞察他們的實驗成果並在細節上仔細檢查。

一些研究組織表示要再現實驗結果及尋找潛在的實驗失誤。費米實驗室宣稱將著手嘗試進行重複實驗[5]。

重定義的結果

2011年11月17日，OPERA小組發布了一個重定義的結果，進一步縮小了誤差範圍。測量結果是微中子大約較早到達57.8奈秒，得出一個相對的速度差約為42194.09分之一。 新的顯著性水平成為6.2σ。[6]這個小組已經提交實驗結果到高能物理期刊（英語：Journal of High Energy Physics）進行同行評審。[7][8]

同樣在這篇論文中，OPERA小組又發布了一個附加分析，基於有意設置的質子束生成的獨立的CNGS微中子束，從2011年10月21日到11月6日。[9] 他們度量了20次微中子偵測事件，標示出微中子比光早到達62.1奈秒，與主分析的結果一致，如此一來超光速得到了進一步的證實。[6]

爭議

2012年2月22日，科學新聞網頁雜誌Science Insider報告，從全球定位系統接收器到電腦之間的光纖纜線，由於與電腦的積體電路卡連接不良，造成了60奈秒延遲。維修後連接，該問題不再發生。該實驗失誤似乎可解釋微中子的超光速運動異常現象。但是，仍需做實驗拿到更多數據來檢驗這個假說。[10]

2012年3月15日，格蘭沙索國家實驗室的ICARUS實驗（英語：ICARUS Experiment）團隊報告，遵守狹義相對論，做實驗得到了與光速一致的微中子速度。這意味著同實驗室的OPERA實驗團隊先前所獲得的微中子超光速異常（英語：faster-than-light neutrino anomaly）結果可能不正確。包括這兩個團隊在內，實驗室的四個團隊，計劃在同年5月份分別做實驗測量短脈衝粒子束的微中子速度，期望屆時能夠得到正確答案。[11]

結論與後續

2012年4月2日，微中子超光速異常實驗結果已確定有誤。在OPERA合作委員會對其發起不信任投票且票數過半（未滿足規則所需三分之二票數）後，OPERA團隊的一名物理學協調員與一名發言人主動辭職。[12]

實驗結果一覽

較早到達
(盲目分析)		 修正 微中子能量 較早到達 速度差 絕對速度差
9月主分析 (16111次微中子事件, 2009 — 2011)
1048.5 奈秒 -987.8 奈秒 17 GeV (60.7 ± 6.9 (統計誤差) ± 7.4 (系統誤差) 奈秒 (2.48 ± 0.28 (統計誤差) ± 0.30 (系統誤差）)×10-5 ∼7.4 千米/秒
9月相關分析 (能量依賴性)
13.9 GeV (53.1 ± 18.8 (統計誤差) ± 7.4 (系統誤差) 奈秒 與主分析一致;
無顯著的能量依賴[13]
42.9 GeV (67.1 ± 18.2 (統計誤差) ± 7.4 (系統誤差) 奈秒
28.1 GeV
(平均)		 (60.3 ± 13.1 (統計誤差) ± 7.4 (系統誤差) 奈秒
11月主分析 (15223次微中子事件, 2009 — 2011)
1043.4 奈秒 -985.6 奈秒 17 GeV (57.8 ± 7.8 (統計誤差) +8.3
−5.9 (系統誤差) 奈秒		 (2.37 ± 0.32 (統計誤差) +0.34
−0.24 (系統誤差)×10-5		 ∼7.1 千米/秒
11月相關分析 (能量依賴性)
13.8 GeV (54.7 ± 18.4 (統計誤差) +7.3
−6.9 (系統誤差) 奈秒		 與主分析一致;
無顯著的能量依賴[14]
40.7 GeV (68.1 ± 19.1 (統計誤差) +7.3
−6.9 (系統誤差) 奈秒
28.2 GeV
(平均)		 (61.1 ± 13.2 (統計誤差) +7.3
−6.9 (系統誤差) 奈秒
11月附加分析 (20次微中子事件, 2011-10-22 — 2011-11-6)
(62.1 ± 3.7 (統計誤差) 奈秒 與主分析一致

參考資料

  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 可免費查閱. doi:10.1016/j.physletb.2010.06.022. 
  2. ^ 2.0 2.1 存档副本 (PDF). [2011-09-23]. （原始內容存檔 (PDF)於2011-09-23）. 
  3. ^ Particle May Have Traveled Faster Than Light. USA Today. [2011-09-23]. （原始內容存檔於2011-09-23）. 
  4. ^ Speed-of-light experiments give baffling result at Cern. BBC News. [2011-09-23]. （原始內容存檔於2011-09-23）. 
  5. ^ Roll over Einstein: Law of physics challenged (Update 2). Physorg. [2011-09-22]. （原始內容存檔於2011-10-05）. 
  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 可免費查閱 [hep-ex].  外部連結存在於|title= (幫助) 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]. （原始內容存檔於2011-11-21）. 
  8. ^ Alok Jha. Neutrinos still faster than light in latest version of experiment. The Guardian. 2011-11-17 [2011-11-17]. （原始內容存檔於2011-11-18）. 
  9. ^ A new proton spill from CERN to Gran Sasso. CERN Bulletin. 2011-11-07 [2011-11-12]. （原始內容存檔於2018-05-26）. 
  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], （原始內容存檔於2012-02-23） 
  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], （原始內容存檔於2018-05-26） 
  12. ^ Embattled neutrino project leaders step down. [2012-04-26]. （原始內容存檔於2012-05-07）. 
  13. ^ 請參閱OPERA論文的9月版本(v1)第20頁
  14. ^ 請參閱OPERA論文的11月版本(v2)第25頁

外部連結

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