太陽中微子問題

太陽中微子問題又稱中微子消失之謎，是測量到的太陽中微子流量與理論計算相比出現缺失的問題。

基本介紹

• 中文名：太陽中微子問題
• 又稱：中微子消失之謎
• 發現時間：980年代
• 性質：大量來自太陽的中微子“失蹤”
• 實驗：Homestake實驗

概述

又稱中微子消失之謎

太陽中微子問題是測量到的太陽中微子流量與理論計算相比出現缺失的問題。20世紀60年代晚期，美國南達科他州礦井中的Homestake實驗首次測量了太陽產生的中微子的流量，發現大約只有根據標準太陽模型計算出來的三分之一。1980年代，日本的神岡探測器也發現了類似的現象。

針對太陽中微子的缺失問題，人們首先想到的是修改標準太陽模型。如果測量到的中微子流量是準確的，那么要求太陽核心的溫度比標準太陽模型中的溫度低，而日震觀測發現實際溫度與標準太陽模型符合得很好。此外，無論怎樣調整太陽標準模型都無法符合觀測得到的中微子能譜，對模型進行任何調整都會令矛盾增多。

另一種解釋是中微子振盪，即中微子在傳播到地球途中發生了轉換。中微子有三種，分別是電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。粒子物理學的標準模型預言，中微子是沒有靜止質量的粒子。如果三種中微子之間可以相互轉換，那么意味著中微子是有質量的，這將對粒子物理學的許多基本觀念提出挑戰。

1998年，日本的超級神岡探測器首次發現了中微子振盪的確切證據，表明μ子中微子轉換成了τ子中微子。2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文台發表了測量結果[1]，探測到了太陽發出的全部三種中微子，其中35%是電子中微子。三種中微子的總流量與標準太陽模型的預言符合得很好，解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。Homestake實驗的領導者雷蒙德·戴維斯和神岡探測器的領導者小柴昌俊獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

微子消失之謎

科學家從20世紀70年代就開始測量抵達地球的中微子，然而有關結果僅為根據太陽活動理論算出的幾分之一，看上去好像有大量來自太陽的中微子“失蹤”了。這就是所謂的“太陽中微子失蹤之謎”，它意味著太陽活動理論或當時的中微子理論至少有一個存在問題。

在當時的中微子理論中，中微子是一種沒有質量的粒子。當時，人們已經發現了三種中微子，分別是電子中微子，μ子中微子和τ子中微子。中微子只參與弱相互作用，其中電子中微子只參與有電子參與的弱相互作用，μ子中微子只參與有μ子參與的弱相互作用，τ子中微子只參與有τ子參與的弱相互作用。由於弱相互作用非常弱，中微子與物質的反應截面極小，探測起來非常困難。同時，由於反應截面小，而中微子又沒有質量，沒有任何一種機制能讓中微子從太陽到地球這樣的空間的傳播過程中消失掉。

人類第一次探測到中微子，是1956年美國物理學家萊尼斯和科恩小組，利用薩瓦納河工廠的反應堆,進行的一次實驗。實驗反應堆產生強大的中子流並伴有大量的β衰變，放射出電子和反中微子，反中微子轟擊水中的質子，產生中子和正電子，當中子和正電子進入到探測器中的靶液時，中子被吸收,正電子與負電子湮滅，產生高能γ射線,從而來判定反應的產生。雖然反中微子通量高達每秒每平方厘米5×10的13次方個，但當時的探測記數每小時還不到3個。在這個實驗中，中微子的探測部分主要以反中微子襲擊質子，產生中子和正電子的方式被探測到。能夠探測到的，實際上只有電子反中微子。

隨後觀測太陽中微子的方法，也都是只能觀測電子中微子的方法。但是由於太陽產生的也就是電子中微子。因此太陽中微子消失之謎困擾了人們幾十年。

消失之謎解除

2002年在日本神岡開展反應堆中微子探測的日、美、中科學家12月6日分別在各自國家、在相約定的時間同時宣布發現了核反應堆中微子產生的電子反中微子消失的現象，從而揭示了“太陽中微子丟失”的秘密，把人類對宇宙的探索向前推進了一步。

通過這一實驗，人們發現不僅太陽中微子會“消失”，反應堆中產生的中微子也會在傳播途中“消失”。其實，通過修改原有理論，人們已經發現，只要中微子質量不為零，那么三種中微子就可能存在混合。一種中微子在傳播途中會有一種中微子轉變成另一種中微子。對於只能探測電子中微子的實驗裝置來說，中微子確實好像消失了一樣。

回到2001年，薩德伯里中微子觀測站的科學家宣布，找到了“太陽中微子失蹤之謎”的原因，引起科學界的轟動，被美國《科學》雜誌評為2001年10大科技成就之一。不過，那時的發現只是把所觀測到的數據與其他觀測站以前的數據相比後得出的結論。其後，科學家對他們的觀測數據深入分析，找到了直接觀測中微子的方法：當中微子進入裝有重水的容器後，碰到重水的原子核後會被彈開；彈開的原子核碰到另一個重水的原子核後會與之發生反應，變成氚的原子核，同時釋放出一些γ射線。所有的中微子都會引起這樣的反應，通過測量γ射線的數量，科學家就可知道有多少中微子存在。

這種方法是一種測量所有中微子直接和明顯的方法，也是科學家首次掌握如何同時測量所有中微子的方法。據此，直接證實了太陽中微子並未失蹤。 太陽中微子消失之謎最終定案。

理論的正確性

諾貝爾物理學獎可以說是最戲弄人的。最著名的當數愛因斯坦的相對論，它動搖了牛頓物理學的理論基礎，但愛因斯坦在有生之年未能給出有效證明，導致他沒能因為相對論而獲諾貝爾物理學獎。巴赫恰勒的太陽中微子理論卻與相對論不同。巴赫恰勒曾與美國布魯克黑文國家實驗室小雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis）合作，證明了太陽中微子理論的正確性，而且日本東京大學的小芝（Massatoshi Koshiba）後來通過試驗，也證實了這一理論。

2002年，戴維斯、小芝以及另一位科學家裡卡多?賈尼科（Ricardo Giacconi）因為太陽中微子相關研究，分享了該年度諾貝爾物理學獎，唯獨巴赫恰勒榜上無名。儘管如此，他並沒有退出人們的視線，反而在天體物理學領域取得了巨大成就，並為世人認可。根據美國航空航天局戈達德太空飛行中心（NASA Goddard Space Flight Center）公開的簡歷中記載，巴赫恰勒也是哈勃望遠鏡的創立人之一。