中微子及其“超光速”问题研究

杨介甫 陈笑梅，唐立军

(1.湖南师范大学物理与信息科学学院，中国 长沙 410081;2.长沙理工大学物理学院，中国 长沙 410077)

1 中微子的发现及其类型

20世纪20年代前后，人们在对核的β衰变实验研究中测到β粒子的能量分布是连续谱，而且β粒子能量的最大值又恰好等于核的β衰变能．这就使人们要问：核内能级都是不连续的，为什么会出现连续能谱呢？

如果在β衰变中只有衰变后的子核和放出的β粒子这二体衰变的话，那么它不仅违反了衰变前后角动量守恒原理，也违反了应遵循的同一统计规律．

理论上可证明：二体衰变的β粒子，应有确定的单一能量，不可能有连续的能量分布．连续能谱的出现，暗示着还有一种未被发现的粒子参加了能量分配．但参加这能量分配的又是什么粒子呢？为什么这粒子又多年未探测到呢？

分析计算中微子与反冲核的能量是一致的,证实了中微子ν存在[1]．

1956至1957年初，李政道、杨振宁揭示了弱相互作用中宇称可能不守恒和提出二分量中微子理论[2-4]，大大促进了人们对各种弱作用衰变的研究．

(1)

和与式(1)的对比实验过程：

(2)

同年，Goldhaber等人利用如下过程：

和巧妙的实验方法，证明中微子只存在自旋单态，即中微子是左手螺旋运动态，而反中微子是右手螺旋运动态[5]．

1958年，Reins和Cowan利用闪烁液中的质子对反中微子的俘获过程：

1962年，Denby等人利用30 GeV交变梯度质子同步加速器(AGS)将质子加速至15 GeV打Be靶，发现π-介子和K-介子有如下衰变：

1975年，美国SLAC和德国DESY实验室利用正、负电子对撞机实验

e++e-→τ++τ-,

发现了重轻子τ(mτ≈1 784.2 MeV/C2)和可能的衰变

现在理论上已认定了τ和ντ的存在[8]．

2 中微子的物理特性

中微子具有光子没有的极强穿透能力，还具有光子没有的纵向无阻运动特性．如果实验上能严密测出中微子速度超光速，那是正常的．问题是很难准确测出中微子的速度．若要较好地了解中微子与光子的速度比较实验，首先需深入了解中微子的物理特性．

1)中微子静止质量mov=0，主要依据是：

(1)中微子通过弱作用衰变产生，通过弱作用俘获而消失，原子核内、外都不存在静止的中微子．

(2)实验上一直未测到中微子有静质量．(由于根本不存在静止中微子，当然也不可能测到有静止的中微子质量)．

(3)根据二分量的中微子理论，中微子的静止质量是mov=0；中微子有确定的螺旋性也表明中微子的静止质量mov=0．

2)中微子只参与弱相互作用．不参与电磁相互作用、强相互作用和引力相互作用．主要依据有：

(1)中微子不带电，磁矩为0，没有参与电磁相互作用的基础和条件，不可能参与电磁相互作用．中微子通过电磁场时不受其影响的事实也说明了这点．

(3)中微子不受引力或反引力的影响．因为中微子没有静止质量，没有与其他物质发生引力或反引力作用的质量条件．实验上也未发现中微子受引力作用的影响．例如太阳的质量比地球质量要大105倍，相距108km，如果中微子有质量而受引力影响的话，根据牛顿引力公式估算，中微子在太阳表面受到的引力比远离太阳108km的地方所受太阳引力要大1020倍左右，那么中微子很难脱离太阳引力场来到地球，但实际情况是在每平方厘米地面上大约有1011个中微子从太阳来到地球并穿透地球．这表明中微子未受太阳引力影响．

3)中微子与物质作用的几率极小，穿透力极强．

(3)

(4)

根据Konopinski等作者给出的关系式

(5)

(6)

式(6)与式(4)相当吻合，这也反映了二分量中微子理论的正确性，表明正、反中微子都是自旋单态．中微子只能是左旋态，反中微子只能是右旋态．

(7)

式中ρ为物质的原子密度，在一般物质中ρ≃1023cm-3，代入式(7)得

因地球直径d≐1.3×104km，则

(8)

式(8)表明：中微子似乎可以通行无阻地穿过1 000亿个地球．

4)中微子的其他物理特性

(1)中微子的电荷qv=0；

3 中微子超光速运动的可能性

1)人们对光的基本认识

(1)根据电磁波存在反射、折射、干涉、衍射、偏振等特性与光波相似，使人们认识到光波可能就是电磁波．

根据Maxwell的电磁理论可推导出电磁波在真空中的传播速度为[12]

v=(2.997 8±0.000 1)×1010(cm/s),

而光速在真空中的测量值为

C=(2.997 76±0.000 04)×1010(cm/s),

两速度相同，使人们确信光波是电磁波；

(3)从长波通讯，可见光波、x射线直至γ射线，都是电磁波．只是波长和频率不同，也都是横波；

(4)电磁波的传播者是光子，电磁相互作用的传递者也是光子．

2)爱因斯坦对光的看法

(1)爱因斯坦认为电磁波也应服从相对性原理．太阳系里的光速在任何方向和任何惯性坐标系中都等于C．他在光速是常数这一假设前提下给出了四维时空的如下坐标变换式[13]

(9)

式中β=v/C,v是其他物体运动速度;C是光速，很明显，当v>C时，式(9)不能成立，必须用新的表达式来替代．为了防止此类问题出现，爱因斯坦假定：大于光速的速度是不存在的．这就是所谓的光速极限论．

(2)短评：爱因斯坦的光速极限论是他当时对中微中运动特性不了解的情况下作出的假定(1954年爱因斯坦就已离世)．并没有令人信服的依据．不能作为最终结论．

3)中微子有可能超光速运动

(1)两者相似处

① 光子静止质量mor=0，中微子静止质量mor=0；

② 光子不带电qr=0，中微子不带电qν=0；

(2)两者不同处

②光子由光能全吸收而消失，中微子由弱作用俘获而消失；

③光子是电磁作用的传递者，光波有电磁散射等，中微子只参加弱相互作用，不参与其他相互作用；

④光的电磁作用力程很大，从10-13cm→∞远(宇宙)，中微子作用力程很小， ≤10-13cm(核内)；

⑤光子由能级跃迁产生， 或正、反粒子对淹灭产生，中微子由弱作用衰变产生；

⑥光波是电磁波、是横波，已有成熟理论描述，中微子的平均自由程可达1020cm，具有纵向、无阻运动特点,尚缺理论描述．

(3)中微子速度可能超光速．

①两种速度的可比性：因光子与中微子两者静止质量mo=0，根据动量守恒和坐标变换中的速度变换法则，可给出两种质量变换式如下：

(10)

(11)

上述式中mo为运动体在静止坐标系中的质量；m为该运动体在以等速作相对运动坐标系中的质量观测值；v为运动体运动速度；C和Vν分别是作参照的光速和中微子速度．如果C

②从波粒二象性看中微子与光子速度比：根据德布诺意(De Broglie)波关系式

可写出光子和中微子的动量表达式

式中Pc和Pν为光子和中微子的动量；h为普朗克(Planck)常数;C为光速;λc为光子对应的波长;Vν为中微子速度;λν为中微子相应的波长．当Pc=Pν时得

C/λc=Vν/λν,

(12)

如果我们把光子和中微子都看做能量子hv，则可分别得出

当hvc=hvν时，也得到C/λc=vν/λν，和

(13)

光波是横向具有电磁矢量E和H振动随时空周期变化的横波，其波谱分布范围可用图表示(略)．从其波长分布可知：最长波长也只105cm，比中微子平均自由程要短1015倍．

假设太阳发射的光子是在理想的真空传播，未受任何电磁散射等影响，若把这种理想光子的波长视为从太阳发射到地面吸收的全程视为波长的两个端点也只有1.497 6×108km≈1013cm，比中微子通过一般物质的平均自由程也要小107倍．

上面我们把中微子和光子从发射至吸收的全程视为波长两个端点来比较得到的中微子速度Vν≥107C倍光速．从光速极限论至中微子速度可能大于107倍光速也许人们难以接受，只好等待严密的实验判定．

4 中微子与光子同时同步进行速度测量问题

1)中微子与光子产生的同时性问题

运动会的100 m赛跑，参赛人必须在同一起跑线，同时出发，比较中微子与光子两种速度的快慢，也要求中微子与光子必须同时产生，这就对实验提出了较严的要求：

①若Δt=0 则表明反中微子先于光子Δτ到达．并可估算出中微子速度；

②若光讯号先于中微子讯号Δτ时间，则表明中微子与光子速度相同；

③若Δt<Δτ，都表明中微子速度大于光速；

④若光子讯号时间先于中微子讯号时间Δt>Δτ，才表明光速大于中微子速度，但这与二分量中微子理论矛盾．也与中微子有确定的螺旋性相矛盾．

(4)太阳中微子的屏蔽问题：太阳的光和热之所以能长期持续进行，就是因为太阳内部存在一些聚变衰变循环链．例如：

(5)由于反中微子在闪烁液中被俘获的几率极小，因此①适当加大闪烁液的体积；②增强加速器打靶的粒子束流强度；③较长时期的多次脉冲粒子流打靶实验，并经常更换靶片，以免靶片中残存的β-,γ放射性而影响测量的可靠性．

由于未见到有关中微子超光速的实验资料，目前还不能由实验结果分析而支持本文的观点.文中只是提出一些原则性的意见供参考．

参考文献：

[1] DAVIS R. Nuclear recoil following neutrino emission from beryllium[J].Phys Rev, 1952,86(5):976-985.

[2] 李政道,杨振宁.弱相互作用中的宇称守恒问题[J].物理译报,1958,5(3):254-301.

[3] LEE T D, YANG C N. Parity nonconservation and a two-component theory of the neutrino[J]. Phys Rev, 1957,105:1671-1672.

[4] 李政道.两分量中微子[J].物理译报,1958,5(3):287-294.

[5] GOLDHABER M, GRODZINS L, SUNVAR A W. Helicity of neutrinos[J]. Phys Rev, 1958,109(6):1015-1017.

[6] REINES F, COWAN C L. Free antineutrino absorption cross section Ⅰ. Measurement of the free antineutrino absorption cross by protons[J]. Phys Rev, 1959,113(2):273-279.

[7] CARTER R E, REINES F, WAGNER J J,etal. Free antineutrino absorption cross section Ⅱ. Expected cross section from measurements of fission fragment electron spectrum[J]. Phys Rev, 1959,113(1):280-286.

[8] 章乃森.粒子物理学[M].北京：科学出版社，1986.

[9] 杨介甫.物质世界与反物质世界[J].湖南师范大学自然科学学报，1999,22(4):36-43.

[10] 杨介甫.反物质的物理基础和微观特性[J].湖南师范大学自然科学学报，2001，24(2)：33-36.

[11] 卢希庭.原子核物理[M].北京：原子能出版社，1981．

[12] 福里斯C.Э，季莫列娃A.B.普通物理[M].东北人民大学物理系译.北京：商务印书馆，1954．

[13] 胡 宁.电动力学讲义[M].北京：高等教育出版社，1957．