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中微子传奇(上篇,4):(C)粒子物理学家探测中微子的故事
送交者:  2016年11月28日18:37:01 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

中微子传奇(上篇,4):(C)粒子物理学家探测中微子的故事

 

如前所述,天文学家与天文爱好者的确最先目睹了SN1987a超级大爆发的芳姿,这有IAU当时的报告为证(IAUC 4316-4322);然而粒子与量子物理学家却声称SN1987a爆发的最初音信已在更早的时候通过中微子悄悄传给了他们;这到底是怎么一回事呢?原来,在谢尔顿于224.1225 UT以摄星镜拍摄并发现SN1987a的大约一天之前即223.124 UT:这里依据的是IAUC 4323;稍后的正式文章给出的时刻对应于23.11987 UT),位于法国与意大利边境上勃朗峰下的一个意大利与前苏联合作运营的地下中微子观测站(Mont Blanc Underground Neutrino ObservatoryMBO)已经适时记录下了至少五次中微子冲击事件(IAUC 4323IAUC 4332),而相关科学家随后将其与SN1987a的爆发一事联系了起来。

 

事实上,在谢尔顿的光学发现之前探测到中微子的并非只有MBO这一家中微子观测站,因为位于日本的神岗核子衰变实验室(KamiokaNDE-IIK-II),位于美国伊利湖边的尔湾-密歇根-布鲁克黑文核子衰变装置(Irvine-Michigan-BrookhavenIMB),以及位于前苏联北高加索山安地尔奇峰(Mont Andyrchy)下的巴克三中微子观测站(Baksan Neutrino ObservatoryBNO )也都声称在天文学家与天文爱好者以望远镜或肉眼观察到SN1987a爆发之前探测到了来自于这颗超新星的中微子。不过有意思的却是,K-IIIMB以及BNO这三家中微子观测站都是在有关SN1987a的天文发现见之于报端之后,再去审视、分析自己的实验记录才得以确认相关中微子探测信息的(:比如参见IAUC 4338)。这是什么意思呢?这实际上意味着,他们的探测系统并没有适时提醒他们已有中微子探测数目异常的事件发生,或者直接打印出相关的探测细节,这同MBO的情况显然是有区别的——假如acarefreeman基于相关报道对后者的中微子探测机制以及其它相关技术细节的理解是准确的。如果把上面这件事说得再直白些,那就是:如果没有有关SN1987a爆发的公开报道,也没有来自于MBO的有关中微子探测的IAU报告(IAUC 4323)的话,那么K-IIIMB以及BNO的科学家甚至一时还难以意识到自己的探测器内发生了中微子探测数目异常的事件,更不要说把这样的现象同超新星爆发一事联系起来了。当然,以上情节的发生其实是有背景的,因为K-IIIMB本来就不是为了专门探测超新星的爆发而建造的,实际上,探测质子的潜在衰变问题才是它们原定的本意,而BNO的探测器的灵敏度也远远不及MBO的,不过,这是后话。

 

而另一方面,虽然资料显示MBO的确是为探测超新星的爆发而建造的,但却没有证据表明那里的科学在看到有关SN1987a的最初天文报道(IAUC 4316)之前独立地意识到他们的探测器已经记录并打印了中微子探测数目异常的事件;事实上,MBO有关中微子探测的最早报告见于IAUC 4323,但那已是有关SN1987a的最初目击事件发生之后的至少四天。那么MBO的科学家是否也像他们在其它各个中微子观测站的同行那样,是在看到有关SN1987a的光学发现之后再去检查自己的探测记录而意识到中微子异常已经发生了呢?很有这种可能;但遗憾的是,MBO的有关专业报告既没有明说也没有暗示这就是事情的真相;恰恰相反,相关的报告给人以他们独立发现中微子探测数目异常的感觉。于是便有一个紧密的相关问题:如果他们最早独立地发现了此事,那为何他们并未先于谢尔顿等人向IAU或其它相关部门汇报?事实是,即便MBO的物理学家早于希尔顿等人独立地发现了自己观察站的中微子探测数目异常,但假如不存在稍后由他人提供的相关光学证据,他们也难以得出结论这些中微子就一定来自于超新星爆发,或者即使能够确认它们属于超新星爆发,但也未必能够准确确定超新星所在的方位。一句话,单单中微子自身几乎不可能成为超新星爆发的独立证据,也正因为如此,如果MBO的科学家虽然最先独立地察觉到存在着中微子探测异常现象,但是却一直等到相关光学报告问世之后才汇报自己的中微子发现,那也完全在情理之中。

 

以上的分析旨在提醒读者,就包括独立性与可靠性等在内的证据品质而言,中微子与光子所拥有的证明超新星爆发一事的能力其实完全不在同一个层次;然而更糟糕的却是,即便中微子探测器常常藏身于深山或地下,它们探测超新星中微子时所遭受的背景干扰几乎无一例外地不可忽略,事实上,有证据表明,分析并过滤掉背景污染既是所有中微子观测站获取有用与可靠信息的一个关键步骤,同时也是他们所面临的几乎最严重的挑战。不过,在这个科普系列中,我们假定相关科学家已经成功地解决了这个问题。

 

然而有关中微子探测事件的更大争议还在后面;但在描述这些争议之前,让我们先详细介绍一下超新星SN1987a爆发之时地球上各个中微子观测站所探测到的中微子事件的有关细节。

 

1、  MBO

探测目标:来自于超新星爆炸的各种中微子;

探测器种类:液态闪烁体(分子式CnH2n+2n=10);

诱发探测器反应的最低临界能量:6-7 MeV(外层计数器);5 MeV(内层计数器);

中微子入射探测器的最初时刻:223.11987 UT22325236.79秒)(MBO团队第一次汇报的时刻为223.124 UT,见IAUC 4323;但这里以其后来正式发表的文章为准。另,acarefreeman暂时没有搜集到这里的时间误差数值)

探测事件明细表:

事件编号:

入射时间(UT):

可见能量值(MeV)(:括号内是折算成切连科夫水的对应数值):

994

22325236.79

76.2

995

40.65

85.8

996

41.01

117.8

997

42.70

77.0

998

43.80

96.8

 

2、  K-II

探测目标:质子衰变;太阳中微子;

探测器种类:切连科夫纯净水;

诱发探测器反应的最低临界能量:8.5 MeV

中微子入射探测器的最初时刻:223.31638 UT22373535秒)(:误差±1 分钟)

探测事件明细表:

事件编号:

入射时间(UT):

可见能量值(MeV):

1

0=22373535

20.0

2

0.107

13.5

3

0.303

7.5

4

0.324

9.2

5

0.507

12.8

6

                  0.686

6.3

7

1.541

35.4

8

1.728

21.0

9

1.915

19.8

10

9.219

8.6

11

                 10.433

13.0

12

                 12.439

8.9

 

3、  IMB

探测目标:质子衰变;

探测器种类:切连科夫纯净水;

诱发探测器反应的最低临界能量:20 MeV

中微子入射探测器的最初时刻:223.31645 UT22373541.37秒)(:误差±0.05

探测事件明细表:

事件编号:

入射时间(UT):

可见能量值(MeV):

33162

22373541.37

38

33164

41.79

37

33167

42.02

40

33168

42.52

35

33170

42.94

29

33173

                  44.06

37

33179

46.38

20

33184

46.96

24

 

4、  BNO

探测目标:来自于超新星爆发的各种中微子

探测器种类:液态闪烁体(分子式CnH2n+2n=9);

诱发探测器反应的最低临界能量:10 MeV

中微子入射探测器的最初时刻:223.31674 UT22373606秒)(注:误差+2/-54秒)

探测事件明细表:

事件编号:

入射时间(UT):

可见能量值(MeV):

1

0=22373606

12

2

0.45

18

3

1.73

23.3

4

7.75

17

5

9.12

20.1

 

哇,以上这可是好多好多的信息啊;读者是不是一下子感到有点难以消化或无所适从了呢?不过,请先别急,不妨回想一下,我们所关心的最重要的问题是什么来着?哦,对了,是中微子超光速问题,既然如此,对我们来说最核心也最重要的问题理应是中微子到达地球的时间,对不?

 

好了,简单审视一下各个中微子观测站所探测到的第一粒中微子的到达时间便不难发现,MBO(意大利与前苏联合作)的223.11987 UT是当之无愧的冠军,K-II(日本)的223.31638次之,IMB(美国)的223.31645第三,BNO(前苏联)的223.31674 UT排在第四也就是最后。不过,我们也注意到了BNO的有关记录存在着最大的时间误差,这意味着真实时间有可能比它的记录数值延后了0-2秒钟,但也有可能比它提前了0-54秒,但考虑到BNO的记录数值比第二名的K-II滞后了31秒(3606秒:3535秒),以及K-II的时间误差可以高达±1分钟,所以一个合理的评估是:如果没有其它的信息作为佐证,BNOIMB谁先谁后可能一时真的难以敲定(:不难估算出,两种可能性接近)。不过,我们对这“佐证”信息的存在抱有谨慎的乐观,但由于这事不直接影响中微子与光子谁快谁慢的问题,所以我们把这主题留在以后再做探讨。

 

有人可能不耐烦了:你怎么啰嗦了半天还是没有回答中微子与光子到底谁跑得快的问题呀?这不才是大家最最关心的问题吗?哎哟,acarefreeman差点把这茬儿给忘了:-);那好吧,我们现在就来直接比较一下。

 

先回忆一下上一节(“来自于天文学家的直接观察”)的主要结论:“(基于可见光证据,)要么超新星SN1987a爆发于(1987年)223.39 UT之后但在24.1225 UT之前,要么它爆发于223.08 UT23.39 UT之间,但直到23.39 UT这一刻其亮度却还不足7.5级”;再看本节(“来自于粒子物理学家的直接感触”)的核心结论之一:“来自于超新星SN1987a的第一粒中微子于(1987年)223.11987 UT到达了地球(上的MBO中微子观测站)”。

 

于是可知:

如果超新星SN1987a223.39 UT之后爆发,那么中微子到达地球的时间将比光子早了大约(23.39-23.11987*24≈6.5(小时);但如果超新星爆发于223.39 UT之前但在23.08 UT之后,那么中微子与光子谁先到达地球的问题仍然无法严格确定;不过,如果假定超新星的爆发在以上所给的时间区间内的任一刻都是等可能的话,那么中微子先于光子到达地球的概率,87%,仍然远高于相反的情况发生的概率,13%(23.39 - 23.11987)/(23.39 - 23.08) ≈87%)。

 

有人可能不高兴了:费了这么大功夫,你acarefreeman不是还是没有完全搞定来自于SN1987a超级大爆发的中微子系列兄弟与光子系列兄弟究竟谁先抵达地球的问题吗?是的,我承认这一点;不过我也有好消息给读者哟:acarefreeman所能弄到的公开信息几乎无一例外地显示,所有对SN1987a感兴趣的天文学家、天体物理学家、宇宙学家、相对论专家、粒子物理学家以及量子物理学家都公开同意或者私下默认,是中微子系列兄弟率先冲过了SN1987a超级长跑大赛的终点。

 

好了,那就准确宣布中微子系列兄弟为这次比赛的优胜者吧——哎,这《中微子传奇》刚刚揭幕就紧跟着闭幕了,真没劲……

 

是呀,acarefreeman也觉得如此;不过呢,且慢:

 

此前我们不是曾经提到过相对论专家还有话要说吗?难道他们的话于最终的结局真的无关紧要吗?也许大戏还在后头呢:-

下一帖:来自于狭义相对论专家的遐思迩想

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    今天的任务已经完成,可以休息了:—),88.  /无内容 - acarefreeman 11/28/16 (352)
      谢谢,长知识!  /无内容 - 色素 11/28/16 (351)
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