OPERA (實驗)

OPERA（英語：Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus）是一項旨在檢測中微子振蕩現象的實驗。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）μ中微子束向730公里之外、位於意大利中部山区的格蘭沙索國家實驗室（英语：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μ中微子束中觀測到的τ中微子現象^[1]。

超光速檢測

初始结果

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感測器的中微子以超光速運動。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納秒，而其中仅包含±6.9纳秒的统计误差和±7.4纳秒的系统误差^[2]。換言之，光速每秒為接近30萬公里，但中微子每秒能比其多跑大约7.44公里；也就是说，中微子的速度比光速還要快2.48×10^-5(大约40322.58分之一)^[2]。OPERA合作科學家安东尼奥·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]。據報道这个研究小組已進行了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]。

重定义的结果

2011年11月17日，OPERA小组发布了一个重定义的结果，进一步缩小了误差范围。测量结果是中微子大约较早到达57.8纳秒，得出一个相对的速度差约为42194.09分之一。新的显著性水平成为6.2σ。^[6]这个小组已经提交实验结果到高能物理期刊（英语：Journal of High Energy Physics）进行同行评审。^[7]^[8]

同样在这篇论文中，OPERA小组又发布了一个附加分析，基于有意设置的质子束生成的独立的CNGS中微子束，从2011年10月21日到11月6日。^[9] 他们度量了20次中微子侦测事件，标示出中微子比光早到达62.1纳秒，与主分析的结果一致，如此一來超光速得到了进一步的证实。^[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，该問題不再發生。该實驗失誤似乎可解釋中微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个假說。^[10]

2012年3月15日，格蘭沙索國家實驗室的ICARUS實驗（英语：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中微子速度。這意味著同實驗室的OPERA實驗團隊先前所獲得的中微子超光速異常（英语：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中微子速度，期望屆時能夠得到正確答案。^[11]

結論與後續

2012年4月2日，中微子超光速異常實驗結果已確定有誤。在OPERA合作委員會对其发起不信任投票且票数过半（未满足规则所需三分之二票数）后，OPERA團隊的一名物理学协调员与一名发言人主动辭職。^[12]

实验结果一览

较早到达 (盲目分析)	修正	中微子能量	较早到达	速度差	绝对速度差
9月主分析 (16111次中微子事件, 2009 — 2011)
1048.5 纳秒	-987.8 纳秒	17 GeV	(60.7 ± 6.9 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒	(2.48 ± 0.28 (统计误差) ± 0.30 (系统误差）)×10^-5	∼7.4 千米/秒
9月相关分析 (能量依赖性)
		13.9 GeV	(53.1 ± 18.8 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒	与主分析一致; 无显著的能量依赖^[13]
		42.9 GeV	(67.1 ± 18.2 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒
		28.1 GeV (平均)	(60.3 ± 13.1 (统计误差) ± 7.4 (系统误差) 纳秒
11月主分析 (15223次中微子事件, 2009 — 2011)
1043.4 纳秒	-985.6 纳秒	17 GeV	(57.8 ± 7.8 (统计误差) +8.3 −5.9 (系统误差) 纳秒	(2.37 ± 0.32 (统计误差) +0.34 −0.24 (系统误差)×10^-5	∼7.1 千米/秒
11月相关分析 (能量依赖性)
		13.8 GeV	(54.7 ± 18.4 (统计误差) +7.3 −6.9 (系统误差) 纳秒	与主分析一致; 无显著的能量依赖^[14]
		40.7 GeV	(68.1 ± 19.1 (统计误差) +7.3 −6.9 (系统误差) 纳秒
		28.2 GeV (平均)	(61.1 ± 13.2 (统计误差) +7.3 −6.9 (系统误差) 纳秒
11月附加分析 (20次中微子事件, 2011-10-22 — 2011-11-6)
			(62.1 ± 3.7 (统计误差) 纳秒	与主分析一致

參考資料

^ N. Agafonova et al. [ OPERA Collaboration ]. Observation of a first ν_τ candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam. Phys. Lett. B. 2010, 691: 138–145. Bibcode:2010PhLB..691..138A. arXiv:1006.1623 . doi:10.1016/j.physletb.2010.06.022.
^ ^2.0 ^2.1 存档副本 (PDF). [2011-09-23]. （原始内容存档 (PDF)于2011-09-23）.
^ Particle May Have Traveled Faster Than Light. USA Today. [2011-09-23]. （原始内容存档于2011-09-23）.
^ Speed-of-light experiments give baffling result at Cern. BBC News. [2011-09-23]. （原始内容存档于2011-09-23）.
^ Roll over Einstein: Law of physics challenged (Update 2). Physorg. [2011-09-22]. （原始内容存档于2011-10-05）.
^ ^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  [hep-ex]. 外部链接存在于|title= (帮助) See (
arXiv:1109.4897v1
) published 22 September, and (
arXiv:1109.4897v2
) published 17 November.
^ Edwin Cartlidge. Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains. Science. 2011-11-17 [2011-11-17]. （原始内容存档于2011-11-21）.
^ Alok Jha. Neutrinos still faster than light in latest version of experiment. The Guardian. 2011-11-17 [2011-11-17]. （原始内容存档于2011-11-18）.
^ A new proton spill from CERN to Gran Sasso. CERN Bulletin. 2011-11-07 [2011-11-12]. （原始内容存档于2018-05-26）.
^ 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], （原始内容存档于2012-02-23）
^ 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], （原始内容存档于2018-05-26）
^ Embattled neutrino project leaders step down. [2012-04-26]. （原始内容存档于2012-05-07）.
^ 请参阅OPERA论文的9月版本(v1)第20页
^ 请参阅OPERA论文的11月版本(v2)第25页

外部連結

（英文）Opera主頁
（英文）CNGS中微子束（页面存档备份，存于互联网档案馆）
（英文）超光速实验报告 v1（页面存档备份，存于互联网档案馆） (9月版本)
（英文）超光速实验报告 v2 (11月版本)

[1] N. Agafonova et al. [ OPERA Collaboration ]. Observation of a first ν_τ candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam. Phys. Lett. B. 2010, 691: 138–145. Bibcode:2010PhLB..691..138A. arXiv:1006.1623 . doi:10.1016/j.physletb.2010.06.022.

[exp_paper-2] 2.0 ^2.1 存档副本 (PDF). [2011-09-23]. （原始内容存档 (PDF)于2011-09-23）.

[3] Particle May Have Traveled Faster Than Light. USA Today. [2011-09-23]. （原始内容存档于2011-09-23）.

[4] Speed-of-light experiments give baffling result at Cern. BBC News. [2011-09-23]. （原始内容存档于2011-09-23）.

[roll_over-5] Roll over Einstein: Law of physics challenged (Update 2). Physorg. [2011-09-22]. （原始内容存档于2011-10-05）.

[OPERA_20110922-6] 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  [hep-ex]. 外部链接存在于|title= (帮助) See (
arXiv:1109.4897v1
) published 22 September, and (
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[CERN3-7] Edwin Cartlidge. Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains. Science. 2011-11-17 [2011-11-17]. （原始内容存档于2011-11-21）.

[Guardian-8] Alok Jha. Neutrinos still faster than light in latest version of experiment. The Guardian. 2011-11-17 [2011-11-17]. （原始内容存档于2011-11-18）.

[CERN2-9] A new proton spill from CERN to Gran Sasso. CERN Bulletin. 2011-11-07 [2011-11-12]. （原始内容存档于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], （原始内容存档于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], （原始内容存档于2018-05-26）

[12] Embattled neutrino project leaders step down. [2012-04-26]. （原始内容存档于2012-05-07）.

[13] 请参阅OPERA论文的9月版本(v1)第20页

[14] 请参阅OPERA论文的11月版本(v2)第25页

[1]