第五百一十五章 太阳中微子失踪之谜
不过很快，乔安华脸上激动的表情便收敛了起来。 “庞教授，不可否认，你这个理论很美妙，但问题是，我们必须得找到你所说的这种惰性中微子，才能证实你的理论正确，按照你这篇论文中计算的结果，这种中微子存在的时间很短，又很难与其他物质发生反应，单单如何设计实验找到它，就是一个天大的难题！” 庞学林淡淡笑道：“乔教授，你还记得太阳中微子失踪之谜不？” “太阳中微子失踪之谜？” 乔安华微微一愣，眉头微微皱了起来。 他当然知道这个在科学史上著名的难题。 二十世纪上半叶，物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢到氦的核聚变反应。 根据这一理论，在太阳内部每4个氢核（即质子）转化成1个氦核、2个正电子和2个神秘的中微子。 太阳正是由这种核聚变反应释放出来的能量发光发热，哺育着地球上的万物。 随着热核反应的进行，中微子被源源不断地释放出来。 由于4个质子的质量大于1个氦核加上2个正电子和2个中微子的质量，反应要释放出大量的能量。 这些能量的一小部分最终以阳光的形式到达地球。 这种核反应是太阳内部最频繁出现的反应。 中微子可以轻易地从太阳内部逃离出去，其能量并不以光和热的形式出现。 有的时候热核反应产生的中微子能量比较低，带走的能量比较少，则太阳就获得了更多的能量。 如果中微子的能量比较高，太阳得到的能量就会相对少一点。 中微子不带电荷，且没有内部结构。 在基本粒子物理学的标准模型中，中微子是没有质量的。 每秒到达地球表面每平方厘米的太阳中微子大约为1000亿个，但我们却感受不到它们，因为中微子与物质发生相互作用的概率很小。每1000亿个太阳中微子穿过地球时只会有1个与组成地球的物质发生相互作用。由于中微子与其它粒子相互作用的概率微乎其微，它可以轻易地从太阳内部逃逸出来并直接带给我们关于太阳内部核反应的重要信息。 自然界中存在3种不同类型的中微子，太阳内部核反应产生的中微子是电子型中微子，这种中微子的产生是与电子相关联的。另外两种中微子是μ子中微子和τ子中微子，它们可以在加速器或者爆炸的星体中产生，分别与带电的μ子和τ子相关联。 1964年，雷蒙德·戴维斯和约翰·白考提出了一个实验方案来检验提供太阳能量的核反应到底是不是聚变反应。 约翰·白考和他的同事利用一种精细的计算机模型计算了不同能量的太阳中微子数量。 由于太阳中微子会与氯元素发生反应释放出放射性氩原子，所以他们还计算了在一个盛满四氯乙烯的巨桶中观测到的个数。 尽管这个想法在当时看来有些不切实际，戴维斯还是相信用一个游泳池大小的盛满纯四氯乙烯的容器作探测器能够测出来理论所预言的每个月产生的氩的数量。 戴维斯最早的实验结果发表于1968年。 他所探测到的事例数只有理论预言值的三分之一。这种理论预言的事例数与实验不一致的问题后来被称为“太阳中微子难题”，更流行的说法“中微子失踪之谜”。 为了解释太阳中微子难题，人们曾提出来3种可能的方案。 第一种方案认为理论计算也许有问题，可能在两个地方出了错：或者太阳模型存在问题，导致理论所预言的太阳中微子数量不对，或者计算出来的产生率有问题。 第二种解释认为或许戴维斯的实验出了错。 第三种方案是最大胆的一种，也是讨论最多的一种，它认为太阳中微子本身在从太阳到地球穿过宇宙空间的过程中发生了变化。 在接下来的20年中，许多人又重新仔细计算了太阳中微子的产生数量。计算所用的数据精度在不断地提高，得出的结果也更加准确。 最终发现，从太阳模型得出的中微子数量和对戴维斯的实验装置所能探测到的中微子事例数的计算都没有明显的错误。 与此同时，戴维斯提高了实验精度，并进行了一系列不同的测试来确认他并没有忽略某些中微子。 在他的实验装置上面也没有发现什么错误。实验与理论不一致的问题仍然没有得到解决。 前面提到的第三种解释是由前苏联科学家布鲁诺·庞特克威和弗拉基米尔·格利鲍夫在1969年提出的。 这种想法认为中微子的性质并不像物理学家原先想象的那样简单，中微子可能具有静止质量并且不同类型的中微子可以相互转化，后者即所谓的中微子振荡。 这一想法最初被提出来时，并没有得到大多数物理学家的接受。但是随着时间的推移，越来越多的证据开始倾向于中微子振荡的存在。这是一种超出了标准模型框架的新物理。 1989年，在第一个太阳中微子实验结果发布20年以后，一个由小柴昌俊和户塚洋二领导的日美实验组（神冈合作组）报告了他们的实验结果。他们在巨大的探测器内装满纯水，用以探测水中的电子与来自太阳的高能中微子之间的散射率。 这个实验装置精度很高，但只能探测到高能量的太阳中微子。这种高能中微子来自太阳内部热核反应中一种相对稀少的过程，即元素的衰变。戴维斯最初的实验装置使用的是氯，但也能探测到这个能区的中微子。 神冈实验证实了观测到的中微子数目的确少于太阳模型的理论预言值，但其揭示出来的理论与实验不一致程度比戴维斯的实验要小一些。 在接下来的10年中，3个新的太阳中微子实验使中微子失踪问题变得更加复杂。 由德国人缇尔?克斯坦领导的gallex实验室和弗拉基米尔·格利鲍夫领导的sage实验室分别用装满镓的探测器来探测低能太阳中微子，发现低能中微子同样存在丢失的问题。 另外，由户塚洋二和铃木洋一郎领导的超级神冈实验使用了总共包含5万吨水的巨大探测装置对高能太阳中微子进行了更加精确的测量，令人信服地证实了戴维斯的实验和神冈实验观测到的中微子丢失现象。 这样，无论是高能太阳中微子还是低能太阳中微子都存在失踪现象，只是丢失的比例不同。 2001年6月18日中午12时15分，由加拿大人亚瑟·麦克唐纳领导的美国、英国和加拿大科学家组成的中微子实验组宣布了一个激动人心的消息：他们解决了太阳中微子难题。 这个国际合作小组使用了1000吨重水来探测中微子。 探测器放置在加拿大南部城市萨德伯里地下2000米深的一个矿井中。他们用一种不同于神冈实验和超级神冈实验的新方法探测高能区的太阳中微子。这个实验被称为sno实验。 在sno最初的实验中，他们使用的重水探测装置处在一种只对电子中微子敏感的状态。 科学家们在sno观测到的电子中微子数量大约是标准太阳模型预言值的三分之一，而先前的超级神冈实验不但对电子中微子敏感，还对其它类型的中微子也有一定的敏感性，所以观测到的中微子数目大约超过了理论预期值的一半。 如果标准模型是正确的，则sno的实验结果应该与超级神冈的一致，即来自太阳的中微子都应是电子中微子。两个实验的结果不一致，表明描述中微子性质的标准模型有问题，至少是不完备的。 综合sno和超级神冈的实验，sno合作组不但确定了电子中微子的数量，还确定了来自太阳的三种类型的中微子的总量，结果与太阳模型的预言相一致。 电子中微子占所有中微子总数的三分之一。 这样，问题的所在就清楚了：虽然在地面观测到的电子中微子数量只占太阳中微子总数的三分之一，但是后者并没有减少；丢失的电子中微子并没有“消失”，只是转变成了难以探测的μ子中微子和τ子中微子。 这个具有划时代意义的结果发表于2001年6月，并且很快就得到其它一系列实验的支持。 sno合作组在他们的重水探测装置上测量了全部3种高能中微子的数量，这在当时是独一无二的。他们的实验结果表明：大多数中微子都是在太阳内部产生的，产生时都是电子中微子。 到达地球时，部分电子中微子转变成了μ子中微子和τ子中微子。 sno实验的关键在于对3种中微子总数的测量。正是由于确定了3种中微子的总量，物理学家才能够不依赖于具体理论模型令人信服地解释太阳中微子失踪之谜。 …… “庞教授，你的意思是，通过太阳中微子实验可以找到这种惰性中微子的存在？” 乔安华看着庞学林，皱眉道。