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十万个为什么|曾经失踪的太阳中微子找到了吗

2018-12-06 10:06来源:科普中国网

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十万个为什么|曾经失踪的太阳中微子找到了吗       

  作者:林清

  2002年12月6日,中国科学家发现核反应堆中微子消失现象。说起中微子失踪,你可知道,曾经失踪的太阳中微子找到了吗?

  太阳的能源问题曾经长期困扰着物理学家和天文学家,直到20世纪30年代,科学家才认识到太阳的能量来自其核心的核聚变。核聚变理论很好地解释了太阳各项观测特性,但有一个现象却和理论预测不一致,为此困惑了天文学家很多年。

  根据核聚变的规律,如果太阳的核心确实在进行大规模的热核反应,那么就会产生大量的中微子。中微子是一种十分奇特的粒子,它不带电荷,而且根据描述基本粒子相互作用的标准模型,其静止质量为零。另外,中微子还有一个特点,就是不参与电磁相互作用和原子核内部的强相互作用,因此穿透力极强,要“捕捉”中微子难乎其难。

  为了验证太阳核心核聚变的理论,科学家必须设计一些特别的方法来测量太阳中微子的实际数目。为此,科学家巧设“陷阱”,在美国南达科他州地下一个深达1.5千米的金矿里,美国物理学家戴维斯主持了历史上第一次测量太阳中微子的重要实验。但1968年的实测结果表明,实际的太阳中微子数目只有理论预言数目的1/3。大量的太阳中微子失踪了!

  加拿大萨德伯里中微子天文台的探测器,里面装灌了1000吨重水

  后来,物理学家改进了测量方法,日本科学家小柴昌俊领导的神冈中微子探测实验再次证实了类似的现象。一时间,太阳中微子失踪之谜成了科学家热议的话题。哪里出了问题?天文学家错了?太阳能量并非来自核聚变?还是物理学家关于中微子的理论错了?

  人们首先想到的是修改标准太阳模型。然而,日震学的研究成果表明,太阳模型没有问题,无论怎样调整太阳模型都无法符合中微子的实际测量结果,对模型进行任何调整都反而会使得其他方面的矛盾更多。

  科学家被迫尝试修正关于中微子的理论,提出了“中微子振荡”的概念。目前已知中微子有三种类型:电子中微子、μ中微子和τ中微子。中微子振荡理论指出,不同类型的中微子可以相互转换。因此,太阳释放出的电子中微子可能有一部分在旅途中转变成了其他类型的中微子。由于当前的测量手段只能检测到电子中微子,所以造成了太阳中微子短缺的表象。然而,这一理论同时也意味着中微子的静止质量并不为零,这就对粒子物理学的许多基本观念提出了挑战,需要严格的科学实验来检验。

  1998年,日本的超级神冈探测器首次发现了中微子振荡真实存在的确切证据,实验中,μ中微子确实转换成了τ中微子。2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台发表了新的测量结果,探测到了太阳发出的全部三种中微子,其中仅有35%是电子中微子。三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言符合得很好,从而彻底解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。

  2002年,领导首次中微子测量实验的戴维斯和神冈探测器的领导者小柴昌俊共同获得了诺贝尔物理学奖,他们对基本粒子物理学的贡献将伴随着神秘的中微子之谜而永远为后人所称道。

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