中子衰變的第三種產物是什麼?會產生什麼影響?

2020-12-03 天文在線

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從對中微子的研究看科學研究撥雲見日的過程

首先，回憶起中微子是什麼是很重要的。早期放射性研究表明，中子會衰變，其衰變產物似乎只是質子和電子。但如果衰變產物僅僅是這些，則會產生一個令人不快的問題——如果一個中子是靜止的，那它會帶有一定的能量。（由於E =mc ^ 2，它的質量等於靜止能量。）由於衰變產物的能量總和——質子和電子的質量與動能——與中子的剩餘能量無法相等，兩個可能由此被提出：能量不守恆，或是存在第三種衰變產物。

沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）認為放棄能量守恆定律是不合適的，因此他在1930年提出中子衰變會產生第三種微粒（恩裡科·費米(Enrico Fermi)稱其為「小中子」或中微子）。鑑於中子是中性的，而電子的電荷為-1，質子的電荷為+1，這種微粒必須保持中性，即不帶電荷或電荷為0。1956年，科溫（C.Cowan）和萊因斯（F.Reines）直接檢測到中微子，證實了泡利和費米的理論。（由於他的實驗工作，Reines榮獲1995年諾貝爾物理學獎。）

不同於可以通過電磁力相互作用的電子和質子，中微子的相互作用只能依靠弱相互作用力（電子也可以通過弱相互作用力進行相互作用），這就導致泡利的理論提出後很長一段時間，中微子才被發現。顧名思義，弱相互作用力是很微弱的。一個中微子可以毫不費力地穿過我們的星球，事實上，當你閱讀本文時，就有數十億個中微子正在通過你的身體。這就可以想像，建造一個用來檢測中微子的實驗裝置十分具有挑戰性的。

自1956年以來，又發現了其他類型的中微子。電子，以及比電子大很多的μ子和τ子，這三種粒子都有各自的相關中微子，即電子中微子，μ子中微子和τ子中微子。（此外，這三種粒子也都有自己的反粒子，即電子反中微子，μ子反中微子和τ子反中微子。此外，中子的衰變實際上會產生一個電子，一個質子和一個電子反中微子，這也實現了方程兩邊的平衡。）早期的工作假設中微子沒有質量，而很快就有實驗證明了這一點——只要電子中微子和反中微子具有質量，那它一定非常非常小。

20世紀60年代，小雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis）意識到，如果太陽通過核聚變發光，那它應該是中微子的豐富來源，。這些在在太陽核心產生的、被認為是重要的能量產生過程的各種聚變反應會產生中微子作為副產物。在霍姆斯特克礦場的一個著名的實驗中，他著手檢測部分太陽中微子。 約翰· 巴赫恰勒（John Bahcall）與戴維斯（Davis）合作，並在sns.ias寫下此實驗的歷史記錄。 儘管此事如此艱難——幾年來，實驗結果與預期的差異都是顯而易見的：在霍姆斯特克發現的中微子的數量遠低於以太陽為模型的預期。此外，20世紀80年代末到90年代初的新實驗的出現，這個問題變得更加嚴重——中微子的數量不僅比預期少，它們的能量也與預期不符。

對這個問題的解釋有三種：

（1）我們的太陽模型是錯的。特別是當太陽核心的溫度略低於預測值時，聚變反應率會降低，地球上能夠檢測到的中微子數量也繼而降低；

（2）我們對中微子的理解還不夠透徹，即中微子具有質量；

（3）兩者皆有。

天文學家對解釋（1）並不滿意。 太陽核心的聚變反應對它的溫度十分敏感。採用解釋（1）似乎需要對模型進行一些精細的微調。 （20世紀90年代對太陽的觀測證實了天文學家們最初的不滿意。天文學家們利用日震學apod,找到了第二種方法來探測太陽表面以下的溫度，結果顯示太陽核心的溫度與最好的模型預測結果是一致的。）

正相反，解釋（2）似乎是合理的。別忘了，僅僅是檢測到中微子都是具有挑戰性的。中微子有質量的可能並非不合理。在20世紀70年代，維拉·魯賓（Vera Rubin）和她合作者也證明了旋渦星雲裡似乎有許多看不見的物質。如果中微子有質量，則兩個問題可能能夠被一次性解決，不僅可以和太陽中微子的觀測結果相匹配，還能夠對一些「遺漏物」或暗物質做出解釋。

解釋（2）是這樣的：假設中微子有質量，那麼我們觀察到的電子中微子，μ子中微子和τ子中微子可能並不是「真正的」中微子。我們稱真正的中微子為nu1，nu2和nu3，它們將以各種方式結合產生可觀察到的中微子。除此之外，量子力學的各種性質也使得這些可觀測的中微子在各種特點間「震蕩」。因此，一個在太陽核心產生的中微子，會在到達地球的時候振蕩成為一個μ子中微子。由於早期的實驗只檢測到了電子中微子，如果電子中微子變成了不同種類的中微子這種明顯的差異就會被解決。這個解釋被稱作MSW效應，由Mikheyev, Smirnov和Wolfenstein三位物理學家首先提出。

現在看來，第二種解釋似乎是正確的。各種地面實驗，例如薩德伯裡中微子天文臺（SNO）超級神岡天文臺，液體閃爍體中微子探測器（LSND）實驗和主注入器中微子振蕩搜索（MINOS）似乎能夠直接檢測到中微子的振蕩。

解釋中微子振蕩所需的質量確實很小。這個質量足夠小，以至於宇宙裡的全部中微子都不可能對宇宙密度產生很大影響。儘管如此，它似乎的確足以解決太陽中微子問題。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

translate: Autumn Dream

author: Joseph Lazio

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