學(xué)霸的科幻世界 第五百一十五章 太陽中微子失蹤之謎

不過很快，喬安華臉上激動(dòng)的表情便收斂了起來。

“龐教授，不可否認(rèn)，你這個(gè)理論很美妙，但問題是，我們必須得找到你所說的這種惰性中微子，才能證實(shí)你的理論正確，按照你這篇論文中計(jì)算的結(jié)果，這種中微子存在的時(shí)間很短，又很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，單單如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找到它，就是一個(gè)天大的難題！”

龐學(xué)林淡淡笑道：“喬教授，你還記得太陽中微子失蹤之謎不？”

“太陽中微子失蹤之謎？”

喬安華微微一愣，眉頭微微皺了起來。

他當(dāng)然知道這個(gè)在科學(xué)史上著名的難題。

二十世紀(jì)上半葉，物理學(xué)家們普遍相信太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫到氦的核聚變反應(yīng)。

根據(jù)這一理論，在太陽內(nèi)部每4個(gè)氫核（即質(zhì)子）轉(zhuǎn)化成1個(gè)氦核、2個(gè)正電子和2個(gè)神秘的中微子。

太陽正是由這種核聚變反應(yīng)釋放出來的能量發(fā)光發(fā)熱，哺育著地球上的萬物。

隨著熱核反應(yīng)的進(jìn)行，中微子被源源不斷地釋放出來。

由于4個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量大于1個(gè)氦核加上2個(gè)正電子和2個(gè)中微子的質(zhì)量，反應(yīng)要釋放出大量的能量。

這些能量的一小部分最終以陽光的形式到達(dá)地球。

這種核反應(yīng)是太陽內(nèi)部最頻繁出現(xiàn)的反應(yīng)。

中微子可以輕易地從太陽內(nèi)部逃離出去，其能量并不以光和熱的形式出現(xiàn)。

有的時(shí)候熱核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子能量比較低，帶走的能量比較少，則太陽就獲得了更多的能量。

如果中微子的能量比較高，太陽得到的能量就會(huì)相對(duì)少一點(diǎn)。

中微子不帶電荷，且沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是沒有質(zhì)量的。

每秒到達(dá)地球表面每平方厘米的太陽中微子大約為1000億個(gè)，但我們卻感受不到它們，因?yàn)橹形⒆优c物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率很小。每1000億個(gè)太陽中微子穿過地球時(shí)只會(huì)有1個(gè)與組成地球的物質(zhì)發(fā)生相互作用。由于中微子與其它粒子相互作用的概率微乎其微，它可以輕易地從太陽內(nèi)部逃逸出來并直接帶給我們關(guān)于太陽內(nèi)部核反應(yīng)的重要信息。

自然界中存在3種不同類型的中微子，太陽內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子是電子型中微子，這種中微子的產(chǎn)生是與電子相關(guān)聯(lián)的。另外兩種中微子是μ子中微子和τ子中微子，它們可以在加速器或者爆炸的星體中產(chǎn)生，分別與帶電的μ子和τ子相關(guān)聯(lián)。

1964年，雷蒙德·戴維斯和約翰·白考提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案來檢驗(yàn)提供太陽能量的核反應(yīng)到底是不是聚變反應(yīng)。

約翰·白考和他的同事利用一種精細(xì)的計(jì)算機(jī)模型計(jì)算了不同能量的太陽中微子數(shù)量。

由于太陽中微子會(huì)與氯元素發(fā)生反應(yīng)釋放出放射性氬原子，所以他們還計(jì)算了在一個(gè)盛滿四氯乙烯的巨桶中觀測(cè)到的個(gè)數(shù)。

盡管這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)看來有些不切實(shí)際，戴維斯還是相信用一個(gè)游泳池大小的盛滿純四氯乙烯的容器作探測(cè)器能夠測(cè)出來理論所預(yù)言的每個(gè)月產(chǎn)生的氬的數(shù)量。

戴維斯最早的實(shí)驗(yàn)結(jié)果1968年。

他所探測(cè)到的事例數(shù)只有理論預(yù)言值的三分之一。這種理論預(yù)言的事例數(shù)與實(shí)驗(yàn)不一致的問題后來被稱為“太陽中微子難題”，更流行的說法“中微子失蹤之謎”。

為了解釋太陽中微子難題，人們?cè)岢鰜?種可能的方案。

第一種方案認(rèn)為理論計(jì)算也許有問題，可能在兩個(gè)地方出了錯(cuò)：或者太陽模型存在問題，導(dǎo)致理論所預(yù)言的太陽中微子數(shù)量不對(duì)，或者計(jì)算出來的產(chǎn)生率有問題。

第二種解釋認(rèn)為或許戴維斯的實(shí)驗(yàn)出了錯(cuò)。

第三種方案是最大膽的一種，也是討論最多的一種，它認(rèn)為太陽中微子本身在從太陽到地球穿過宇宙空間的過程中發(fā)生了變化。

在接下來的20年中，許多人又重新仔細(xì)計(jì)算了太陽中微子的產(chǎn)生數(shù)量。計(jì)算所用的數(shù)據(jù)精度在不斷地提高，得出的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

最終發(fā)現(xiàn)，從太陽模型得出的中微子數(shù)量和對(duì)戴維斯的實(shí)驗(yàn)裝置所能探測(cè)到的中微子事例數(shù)的計(jì)算都沒有明顯的錯(cuò)誤。

與此同時(shí)，戴維斯提高了實(shí)驗(yàn)精度，并進(jìn)行了一系列不同的測(cè)試來確認(rèn)他并沒有忽略某些中微子。

在他的實(shí)驗(yàn)裝置上面也沒有發(fā)現(xiàn)什么錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)與理論不一致的問題仍然沒有得到解決。

前面提到的第三種解釋是由前蘇聯(lián)科學(xué)家布魯諾·龐特克威和弗拉基米爾·格利鮑夫在1969年提出的。

這種想法認(rèn)為中微子的性質(zhì)并不像物理學(xué)家原先想象的那樣簡(jiǎn)單，中微子可能具有靜止質(zhì)量并且不同類型的中微子可以相互轉(zhuǎn)化，后者即所謂的中微子振蕩。

這一想法最初被提出來時(shí)，并沒有得到大多數(shù)物理學(xué)家的接受。但是隨著時(shí)間的推移，越來越多的證據(jù)開始傾向于中微子振蕩的存在。這是一種超出了標(biāo)準(zhǔn)模型框架的新物理。

1989年，在第一個(gè)太陽中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)布20年以后，一個(gè)由小柴昌俊和戶塚洋二領(lǐng)導(dǎo)的日美實(shí)驗(yàn)組（神岡合作組）報(bào)告了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們?cè)诰薮蟮奶綔y(cè)器內(nèi)裝滿純水，用以探測(cè)水中的電子與來自太陽的高能中微子之間的散射率。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置精度很高，但只能探測(cè)到高能量的太陽中微子。這種高能中微子來自太陽內(nèi)部熱核反應(yīng)中一種相對(duì)稀少的過程，即元素的衰變。戴維斯最初的實(shí)驗(yàn)裝置使用的是氯，但也能探測(cè)到這個(gè)能區(qū)的中微子。

神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)了觀測(cè)到的中微子數(shù)目的確少于太陽模型的理論預(yù)言值，但其揭示出來的理論與實(shí)驗(yàn)不一致程度比戴維斯的實(shí)驗(yàn)要小一些。

在接下來的10年中，3個(gè)新的太陽中微子實(shí)驗(yàn)使中微子失蹤問題變得更加復(fù)雜。

由德國人緹爾克斯坦領(lǐng)導(dǎo)的GALLEX實(shí)驗(yàn)室和弗拉基米爾·格利鮑夫領(lǐng)導(dǎo)的SAGE實(shí)驗(yàn)室分別用裝滿鎵的探測(cè)器來探測(cè)低能太陽中微子，發(fā)現(xiàn)低能中微子同樣存在丟失的問題。

另外，由戶塚洋二和鈴木洋一郎領(lǐng)導(dǎo)的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)使用了總共包含5萬噸水的巨大探測(cè)裝置對(duì)高能太陽中微子進(jìn)行了更加精確的測(cè)量，令人信服地證實(shí)了戴維斯的實(shí)驗(yàn)和神岡實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的中微子丟失現(xiàn)象。

這樣，無論是高能太陽中微子還是低能太陽中微子都存在失蹤現(xiàn)象，只是丟失的比例不同。

2001年6月18日中午12時(shí)15分，由加拿大人亞瑟·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的美國、英國和加拿大科學(xué)家組成的中微子實(shí)驗(yàn)組宣布了一個(gè)激動(dòng)人心的消息：他們解決了太陽中微子難題。

這個(gè)國際合作小組使用了1000噸重水來探測(cè)中微子。

探測(cè)器放置在加拿大南部城市薩德伯里地下2000米深的一個(gè)礦井中。他們用一種不同于神岡實(shí)驗(yàn)和超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的新方法探測(cè)高能區(qū)的太陽中微子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為SNO實(shí)驗(yàn)。

在SNO最初的實(shí)驗(yàn)中，他們使用的重水探測(cè)裝置處在一種只對(duì)電子中微子敏感的狀態(tài)。

科學(xué)家們?cè)赟NO觀測(cè)到的電子中微子數(shù)量大約是標(biāo)準(zhǔn)太陽模型預(yù)言值的三分之一，而先前的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)不但對(duì)電子中微子敏感，還對(duì)其它類型的中微子也有一定的敏感性，所以觀測(cè)到的中微子數(shù)目大約超過了理論預(yù)期值的一半。

如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，則SNO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該與超級(jí)神岡的一致，即來自太陽的中微子都應(yīng)是電子中微子。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不一致，表明描述中微子性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)模型有問題，至少是不完備的。

綜合SNO和超級(jí)神岡的實(shí)驗(yàn)，SNO合作組不但確定了電子中微子的數(shù)量，還確定了來自太陽的三種類型的中微子的總量，結(jié)果與太陽模型的預(yù)言相一致。

電子中微子占所有中微子總數(shù)的三分之一。

這樣，問題的所在就清楚了：雖然在地面觀測(cè)到的電子中微子數(shù)量只占太陽中微子總數(shù)的三分之一，但是后者并沒有減少；丟失的電子中微子并沒有“消失”，只是轉(zhuǎn)變成了難以探測(cè)的μ子中微子和τ子中微子。

這個(gè)具有劃時(shí)代意義的結(jié)果2001年6月，并且很快就得到其它一系列實(shí)驗(yàn)的支持。

SNO合作組在他們的重水探測(cè)裝置上測(cè)量了全部3種高能中微子的數(shù)量，這在當(dāng)時(shí)是獨(dú)一無二的。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大多數(shù)中微子都是在太陽內(nèi)部產(chǎn)生的，產(chǎn)生時(shí)都是電子中微子。

到達(dá)地球時(shí)，部分電子中微子轉(zhuǎn)變成了μ子中微子和τ子中微子。

SNO實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于對(duì)3種中微子總數(shù)的測(cè)量。正是由于確定了3種中微子的總量，物理學(xué)家才能夠不依賴于具體理論模型令人信服地解釋太陽中微子失蹤之謎。

“龐教授，你的意思是，通過太陽中微子實(shí)驗(yàn)可以找到這種惰性中微子的存在？”

喬安華看著龐學(xué)林，皺眉道。