对外人而言，有关中微子超光速的这场争论已经结束。然而，中微子速度仍是“主注入器中微子振荡搜寻”(MINOS)的物理学家主要的关注点，他们目前正在进行自己的超高精度测量，并决心以纳秒级的精度获得测量权……
两位科学家在费米实验室MINOS中微子实验的近探测器上工作
“这像是在精品店里进行的圣诞节抢购，”菲尔·阿达姆松(Phil Adamson)在描述他最近购置价值25万美元的设备时所说。阿达姆松是美国伊利诺斯州巴达维亚费米国立加速器实验室的物理学家，他领导的团队花了几个月时间安装了三台高精度原子钟、六台全球定位系统接收器、一公里多长的光纤、两台辅助探测器以及至少一对时间间隔计数器(一种复杂的秒表)。所有的这一切，都是为了提升亚原子中微子通过费米实验室的“主注入器中微子振荡搜寻(MINOS)”探测器时以纳秒级的精度计时。
高精度测量
研究人员在试图回答一个简单的问题：按照相对论的要求，即现代物理学最基本的原则之一，中微子的旅行速度是等于还是低于光速?抑或它们的速度更快了那么一点点，如同去年九月在意大利进行的一次引起巨大反响的实验所声称的?
对外人而言，这场争论已经结束。来自意大利拉奎拉市附近格兰萨索国家实验室的研究人员，今年3月公布说他们发现了其测量中的错误――两位团队领导已辞职。同一时间，在格兰萨索一台不同的探测器工作的物理学家公布的测量结果显示，中微子确实遵从光速限制。
然而中微子速度仍是MINOS的物理学家主要的关注点，他们正在进行自己的高精度测量――不仅仅是因为几年前当他们在自己的数据中看到比光速快的中微子的迹象时认为错过了机会。“这在我们急需处理的事务中有很多，”费米实验室的MINOS项目发言人罗伯特·普伦基特(Robert Plunkett)说。
精度是MINOS团队的一切。2008年，费米实验室的兆电子伏特加速器(Tevatron)由于欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)拥有世界最高能量的粒子加速器而被取代。自那以后，美国的粒子物理学家从研究以最高能量碰撞转为最高强度的粒子束进行工作，以适应国家现有的加速器能量来测量极为罕见的交互率。他们希望，即便在较低能量下，迫使理论与实验密切比较，就能发现导向新物理学的异常。
中微子物理是该方案的核心内容。粒子只响应恰如其分的名为弱力的力，主要是通过好似无障碍的固体物质流动，使中微子有可能非常清晰地探测到外力：当一个中微子撞上另一个粒子，物理学家不必去摆脱大得多的强力和电磁力的影响。在采用加速器的实验中，物理学家可以控制能量和中微子束的方向，最大限度地利用这个事实。而MINOS则是这种最尖端的实验装置。
确实，MINOS造就了从事这项工作的一类特殊的研究人员――将测量结果推到接近最后可能的小数点(如果需要，可超过几十位)。但是，大部分MINOS的物理学家或团队成员，同位于俄亥俄州的奥特伯恩学院物理学家纳撒尼尔·塔格(Nathaniel Tagg)的观点相同，后者是一位有长远考虑的人。
“牛仔”物理学
在美国物理学研究中，中微子起到了历史性转变的中心作用，塔格说。多年来这个领域被认为是“牛仔”物理学――边缘领域最好是留给那些顽固不化的实验科学家，他们心甘情愿地拖着探测器远赴矿井、钻进地下掩体，在那里，设备能躲开大气中宇宙射线的干扰。
雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)是一个典型的牛仔。他是纽约布鲁克海文国家实验室的一位放射化学家――指望实现首次直接观测太阳内核中的核聚变反应。戴维斯于1967年开始，在南达科他州利德的一个近1 500米深的霍姆斯特克金矿内，设置了一个380立方米的全氯乙烯(一种干洗液)水柜。戴维斯的想法是，在太阳的核反应中生成的中微子偶尔会撞上水柜中的一个氯原子，并把它转变为氩的放射性同位素。但似乎预期的中微子数目只显示出约三分之一。要么是理论家关于太阳内核聚变反应率的说法有错――鉴于他们在天体物理学其他领域中计算的成功，这似乎并不可能――要么是其他三分之二的中微子迷失了。
物理学家为此花了几十年时间达成一个共识，即“太阳中微子问题”是真实的，并非隐藏着实验误差，只是直到1990年代他们才汇聚了一个可能的解决方案。这就是从下列假设出发：中微子有三种类型或‘味’，每种都是对应的带有质量的负电荷粒子(电子、μ子或τ介子)的电中性搭档。太阳的聚变反应仅产生电子中微子。但是，一旦它们产生，按照理论，这些中微子就开始“振荡”，在它们旅行过程中从一种味变化到另一种味。到它们抵达地球时，三种味已经达成相等比例――意味着只剩下三分之一的电子中微子，即戴维斯的柜子能探测到的唯一种类了。
这种振荡理论完美地解释了失踪的太阳中微子，但也提出了一个新的难题。粒子物理学标准模型认为，中微子所有这三种味的质量都严格为零，就像光子。但只有当中微子拥有至少很小的质量时振荡才有可能发生――这意味着粒子是超出标准模型之外的某种物理学类型。
这一前景迅速将中微子从牛仔物理学的考察范畴中删除(戴维斯本人因而分享了2002年度诺贝尔物理学奖)。MINOS则是由此而得的一个产物。物理学家寻找某种方法来验证振荡模型的计划开始于1990年代，特别是他们想要产生人造中微子束，以便从太阳中微子实验(统计到达探测器的中微子数目)中将其中最大一个不确定性删除。这个计划要求对费米实验室的加速器综合触发石墨靶标上的质子，产生短寿命的、会衰变成μ中微子的带电粒子雾，由此产生的中微子束会穿过一个安放在费米实验室的1 000吨重、火车车厢大小的“近”探测器，以捕获足够多的中微子来衡量其在束中的总数。其余的粒子将继续其在地下735公里的行程、直达明尼苏达州北部的素丹矿。在那里，一个大五倍的“远”探测器将测量有多少μ中微子抵达，如果其中的一些已振荡成其他形式，则差异会很明显――中微子的振荡就将得到证实。
碰撞过程
然而，1998年当MINOS项目仍在制图板上时，美国项目被日本的超级神冈(Super-Kamiokande)实验所打断。通过一项巧妙的实验设计，日本物理学家已经能使用由宇宙射线生成的中微子撞击大气来证实振荡的存在。
在众多企图通过对振荡现象分类来描画该领域的粒子物理学家中，亚当森(Adamson)便是其中的一位，尽管他们有些失望，但还存在一个证明的机会。与其做一个发现新物理学的人，他们决定(MINOS团队)宁可做仔细描述由超级神冈所发现的现象的人。“那时我们开始筹划(在2005年)试图进行精密测量，”亚当森说。
一个明显的问题是为什么中微子会有质量。标准模型可以解释带电粒子的质量，比如与假设的希格斯玻色子微妙互动的电子。但这一机制并不影响中微子。这三种中微子类别所拥有的质量都非常小(小于电子的百万分之一)，也许是某种不可思议的质量生成机制在发生作用，对振荡现象的高精度测量或许能一探究竟。
这些问题不久就列入处于美国高能物理前沿的加速器中微子设施的长远规划中。2006年，美国能源部(DOE)粒子物理项目优化小组为该领域设计了一张路线图，包括继续支持MINOS和已获支持的“NuMI离轴中微子现象(NuMI Off-Axis Neutrino Appearance-NOνA)”的新实验(NuMI意即“主注入器的中微子”，是该实验的中微子束名称)。
NOνA计划要求提升费米实验室中微子束的能量和在明尼苏达州北部更远处设立新的探测器。其关键目标之一将是测量中微子的三个反物质的对应物，即反中微子之间振荡是如何产生的，并确定该过程是否服从“宇称”的对称性。这种对称性意味着，如果粒子和反粒子交换位置一切都呈镜像，则相互作用应维持不变(只有极少、非常罕见的反应违反这个规则)。不过，宇称破坏被认为是早期宇宙中物质的出现远多于反物质，以及何以恒星、行星和生物能存在至今的终极解释。如果对称性可以为中微子和反中微子破坏，那么这些幽灵般的粒子就可以提供有关宇宙产生方式的独特见解。
加速发展
与此同时，在MINOS，团队正忙着提升费米实验室中微子束的强度，旨在创造出一项精确测定三种类型中微子质量之差的世界纪录，并测量各种对NOνA设计至为关键的参数。
2010年6月，MINOS团队报告了中微子和反中微子振荡频率有差异的征兆。这种特定的差异可能已经违反了另一种称做CPT(即电荷、宇称及时间)的量子场论的基本对称。那样的话，它将同超光速中微子一样惊人，MINOS团队为此希望有一项突破性的发现。但在今年2月报告的新数据发布后，这些希望破灭了――报告称结果是统计波动造成的。“这真令人失望，”伦敦大学学院物理学家、MINOS团队成员贾斯廷·埃文斯(Justin Evans)说，“但我们取得了世界上最精确的反中微子测量参数――而人人都想到发现新玩意的组里去。”
在OPERA团队去年9月宣布中微子快于光速的消息曾影响MINOS团队采集数据的过程，同时也惹恼了一些MINOS的合作者――他们曾在2001年提出对中微子速度进行超精密测量，但遭到美国能源部的拒绝。2007年，低精度的测量似乎有中微子旅行速度可能超过光速的迹象，但他们认为不值得对那些仅具最小统计显著性的结果重燃战火。虽然被来自意大利的喧嚣蜇了一下，但MINOS团队决心要获得测量权。
尽管MINOS于2012年3月临时关闭，但关闭期间其中微子束的能量会提升供给NOνA，MINOS自身也会获得一些改善，便于寻找像惰性中微子(即不参与任何标准模型交互作用的假设粒子)这样的奇特现象，以及中微子振荡进入额外维度。亚当森说，每个人都知道，要是中微子真的违反了爱因斯坦的速度限制，那将会是如何的重大。
MINOS的物理学家决定进行测量，即便他们发现超光速的机会由于OPERA的认错而变得极其遥远。“有一次机会，它就会变成非常有趣，”塔格说。但如果(看来好像是)测量只不过确认一下大家都已经知道的东西，MINOS至少要形成对基本参数的高精度测量，即被实验物理学家坚持认为是崇高贡献的东西，即便那不算是一项发现。“能够在这里解决这件事情是一种乐趣和特权，”普伦基特说。
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣