太陽內部氫聚變產生的電子中微子在運動過程中會轉化成其它中微子

2020-10-26 太空生物學

作者：黃媂

「中微子」是一種不帶電的、質量極小的亞原子粒子，這種粒子幾乎不和正常物質發生相互作用。

太陽內部氫的核聚變釋放能量的5%被中微子攜帶向外傳輸

「太陽中微子失蹤案」曾經是天體物理學一個非常重大的科學問題，在太陽內部當氫的原子核聚變成為氦原子核的時候會釋放能量，但是也有一部分的能量轉化為了「中微子」，並且向外面進行傳輸。所以在觀測太陽的時候接受到的不僅僅有「光子」同時還有「中微子」，並且光子和中微子這兩種粒子它們的年齡是不一樣的，簡單來說就是光子產生於10^5~10^7年前的太陽內部，而中微子幾乎是在當時產生的。

  • 「光子」·很久以前恆星核反應產生的

當核心區域的光子向外面運動的時候，由於不斷地和恆星內部的物質發生吸收和散射，這樣的過程使得它的運動軌跡並非是直線的，而是無規則地向任意方向運動，因此在恆星核心區產生的光子運動到恆星表面的時候，所需要的時間可以長到幾十萬年甚至上千萬年，所以觀察到的太陽光子並不是當時產生的，實際上是在很久以前核反應的過程中所產生的。

  • 「中微子」·恆星內部剛剛形成的粒子

「中微子」是一個弱相互作用的粒子，所以當它產生之後，它就按照直線運動到達恆星表面，如果被我們接受到了，而這個時候從產生中微子到到達地球的時間只需要8分鐘，換句話說，我們接觸到的中微子是在恆星內部剛剛形成的。

圖解：左為：「光子」在核心區域假想的運動歷程，右為：「中微子」運動的軌跡。

「中微子」是研究恆星內部發生物理過程的探針

根據恆星內部不同核反應所產生的中微子種類和能量的不一樣，可以把「中微子」分成不同的類別，由於中微子的能量不一樣所以探測它們的方法也不一樣的，有些採用「氯」作為探測媒介，還有些採用「重水」作為探測媒介，基本的物理原理是中微子儘管是弱相互作用的粒子，但是和中微子參與發生反應的物質的量足夠多，這樣的反應還是有可能被探測到的。

重水——Deuterium oxide，是由氘和氧組成的化合物。分子式D2O，相對分子質量20.0275，比水(H2O)的分子量18.0153高出約11%，因此叫做重水。

圖解：不同類別的中微子能譜

譬如採用「氯」作為探測媒介去研究能量相對較低的中微子，在上個世紀美國的「霍姆斯特克金礦」，就利用這個辦法去搜尋中微子，在這個廢棄的金礦裡面注入了大量的「四氯乙烯 C2Cl4」，四氯乙烯和中微子發生相互作用會形成氬原子核，氬原子核和和一個電子發生相互作用又會變成氯原子核，當氯原子核退激發之後就會釋放一個光子，通過探測光子就可以反過來估計有多少中微子參與了反應。

在宇宙空間裡面有大量的高能粒子，也就是所謂的 「宇宙線」，而這些高能粒子也可能會和四氯乙烯發生反應，所以為了屏蔽宇宙線帶來的影響往往把探測器深埋在地上，這是為什麼要利用廢棄的「霍姆斯特克金礦」作為探測中微子的場所。

圖解：「霍姆斯特克金礦」

除了採用「氯」作為探測媒介的方法之外，還有採用「重水」作為探測媒介的方法

日本的「超級神岡中微子天文臺」和加拿大的「薩德伯裡中微子天文臺」，這兩座天文臺它們測量的不是通常可見的光子，而是來自於太陽中微子的輻射，通過對太陽中微子輻射的測量發現了一個奇怪的現象，而這個現象就是根據太陽內部結構發生核反應的過程可以預計在單位時間裡面可以產生多少的中微子以及有多少中微子能夠被地球上的探測器所接收到，但是測量到的太陽中微子的數量總是比太陽中微子標準模型理論的預計值要低，這就意味著有一部分的中微子不見了，這就是所謂的「太陽中微子失蹤案」。

圖解：測量值——藍色的線條，理論預計值——黃色的線條。

關於「太陽中微子失蹤案」的理論解釋

對於「中微子失蹤案」這個問題的解釋有兩條途徑：

1.太陽標準理論模型並沒有真實地反映太陽有內部結構。

2.中微子會發生振蕩，中微子在傳播到地球途中發生了轉換，這是一個物理原因，因為中微子是由三種子類構成的，它們分別是e 「電子 」中微子、 μ 「繆子 」中微子和 τ 「陶子 」中微子。在探測中微子的過程裡面大部分探測器測量的是e中微子，如果電子中微子在它們從太陽到地球的運動路徑裡面，它們變成了其他類型的中微子那麼就探測不到它們了，這就是「中微子振蕩現象」。

為了驗證「中微子振蕩現象」科學家做了大量的實驗

1998年，日本的「超級神岡探測器」測量了大氣中的中微子變化，中微子的數量變化就反映了中微子的「振蕩現象」。

2001年，加拿大的「薩德伯裡中微子探測器」測量到了3種中微子，其中35%是e 「電子 」中微子，所以直接證明了中微子確實發生了振蕩，e 「電子 」中微子並沒有失蹤，只是在離開太陽後轉化成μ 「繆子 」中微子和τ 「陶子 」中微子，因此「太陽中微子失蹤案」並不代表中微子失蹤了，而是中微子相互轉變造成的，同時也證明了中微子是具有質量的。

由於在中微子探測上的貢獻，美國的「Raymond Davis」和日本的「Masatoshi Koshiba」在2002年獲得了諾貝爾物理學獎。

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