曾經(jīng)失蹤的太陽微子中找到了嗎

2002年12月6日，中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)核反應(yīng)堆中微子消失現(xiàn)象。說起中微子失蹤，你可知道，曾經(jīng)失蹤的太陽中微子找到了嗎?

太陽的能源問題曾經(jīng)長期困擾著物理學(xué)家和天文學(xué)家，直到20世紀(jì)30年代，科學(xué)家才認(rèn)識(shí)到太陽的能量來自其核心的核聚變。核聚變理論很好地解釋了太陽各項(xiàng)觀測特性，但有一個(gè)現(xiàn)象卻和理論預(yù)測不一致，為此困惑了天文學(xué)家很多年。

根據(jù)核聚變的規(guī)律，如果太陽的核心確實(shí)在進(jìn)行大規(guī)模的熱核反應(yīng)，那么就會(huì)產(chǎn)生大量的中微子。中微子是一種十分奇特的粒子，它不帶電荷，而且根據(jù)描述基本粒子相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型，其靜止質(zhì)量為零。另外，中微子還有一個(gè)特點(diǎn)，就是不參與電磁相互作用和原子核內(nèi)部的強(qiáng)相互作用，因此穿透力極強(qiáng)，要“捕捉”中微子難乎其難。

為了驗(yàn)證太陽核心核聚變的理論，科學(xué)家必須設(shè)計(jì)一些特別的方法來測量太陽中微子的實(shí)際數(shù)目。為此，科學(xué)家巧設(shè)“陷阱”，在美國南達(dá)科他州地下一個(gè)深達(dá)1.5千米的金礦里，美國物理學(xué)家戴維斯主持了歷史上第一次測量太陽中微子的重要實(shí)驗(yàn)。但1968年的實(shí)測結(jié)果表明，實(shí)際的太陽中微子數(shù)目只有理論預(yù)言數(shù)目的1/3。大量的太陽中微子失蹤了!

加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)的探測器，里面裝灌了1000噸重水

后來，物理學(xué)家改進(jìn)了測量方法，日本科學(xué)家小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)的神岡中微子探測實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)了類似的現(xiàn)象。一時(shí)間，太陽中微子失蹤之謎成了科學(xué)家熱議的話題。哪里出了問題?天文學(xué)家錯(cuò)了?太陽能量并非來自核聚變?還是物理學(xué)家關(guān)于中微子的理論錯(cuò)了?

人們首先想到的是修改標(biāo)準(zhǔn)太陽模型。然而，日震學(xué)的研究成果表明，太陽模型沒有問題，無論怎樣調(diào)整太陽模型都無法符合中微子的實(shí)際測量結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行任何調(diào)整都反而會(huì)使得其他方面的矛盾更多。

科學(xué)家被迫嘗試修正關(guān)于中微子的理論，提出了“中微子振蕩”的概念。目前已知中微子有三種類型：電子中微子、μ中微子和τ中微子。中微子振蕩理論指出，不同類型的中微子可以相互轉(zhuǎn)換。因此，太陽釋放出的電子中微子可能有一部分在旅途中轉(zhuǎn)變成了其他類型的中微子。由于當(dāng)前的測量手段只能檢測到電子中微子，所以造成了太陽中微子短缺的表象。然而，這一理論同時(shí)也意味著中微子的靜止質(zhì)量并不為零，這就對(duì)粒子物理學(xué)的許多基本觀念提出了挑戰(zhàn)，需要嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

1998年，日本的超級(jí)神岡探測器首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩真實(shí)存在的確切證據(jù)，實(shí)驗(yàn)中，μ中微子確實(shí)轉(zhuǎn)換成了τ中微子。2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文臺(tái)發(fā)表了新的測量結(jié)果，探測到了太陽發(fā)出的全部三種中微子，其中僅有35%是電子中微子。三種中微子的總流量與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型的預(yù)言符合得很好，從而徹底解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。

2002年，領(lǐng)導(dǎo)首次中微子測量實(shí)驗(yàn)的戴維斯和神岡探測器的領(lǐng)導(dǎo)者小柴昌俊共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他們對(duì)基本粒子物理學(xué)的貢獻(xiàn)將伴隨著神秘的中微子之謎而永遠(yuǎn)為后人所稱道。