【連載】趣說中微子（五）

2020-12-22 中科院高能所

從泡利提出中微子概念至今已有80餘年，在中微子假說的提出、中微子的發現及研究中微子的過程中一波九折，其中有不少很有趣的故事，使本來就像幽靈的中微子顯得更加神秘。

令人困惑的失蹤

太陽對人類來說實在太重要了，科學家們一直想搞清楚太陽的能量來自哪裡。1920年，英國的愛丁頓（A.S. Eddington）提出了恆星的能量來源於核聚變的觀點，圍繞這個問題的辯論一直持續到1939年貝特（H.A. Bethe）等人提出完整的恆星能量生成理論機制（他因此獲得1967年的諾貝爾物理學獎）。貝特認為太陽的能量來自氫核聚變，氫原子經過四步核聚變反應形成氦原子核，從而釋放出巨大的能量。這種氫核聚變只發生在太陽的極小核心區域，所產生的熱能要經過10萬年才傳遞到太陽的表面，變成地球上能感知的光和熱，要驗證這個理論機制似乎艱巨得無法完成。

然而，如果貝特的理論是正確的，那麼在這一過程中，每消耗兩個氫原子核就會產生一個電子中微子，這些來自太陽的中微子——神秘的隱身客，沒準真能幫助人類了解太陽的秘密。太陽每秒鐘可產生1.8x1038 個電子中微子，地球表面的太陽中微子束流強度為 6.6x1014m-2s-1 。那麼問題就變得稍稍簡單一些，通過捕捉來自太陽的中微子並測出它們的能量分布就可以驗證貝特的理論是否正確了。美國的戴維斯（R. Davis）多次進行「捕捉」太陽中微子的實驗，但一直未獲成功。1962年，擅長實驗分析的戴維斯開始和理論物理學家巴考（J.N. Bahcall）合作，制定出一個新的捕捉太陽中微子的實驗方案。

1964年，戴維斯與巴考著手在美國南達科他州廢舊的霍姆斯塔克金礦約1480米的地下深處建造一個大型中微子探測器（Homestake）。之所以選擇如此深的地下，是因為闖入地球大氣層的宇宙射線信號要比來自太陽的中微子信號強得多，如在地面探測，中微子信號很容易被淹沒在宇宙線信號中。而厚厚的巖石是宇宙線的天然屏障，可讓地下的探測器儘可能多的收集中微子信號。

建在霍姆斯塔克廢棄金礦中的中微子探測器

霍姆斯塔克探測器利用放射化學的方法來捕捉中微子，它用615噸四氯化碳（CCl4）作為探測介質，其原理是氯核的質子或中子如與電子中微子相碰撞將生成氬（37Ar）並放出電子，氬（37Ar）是放射性元素，即使是極小的量也可測出來。該探測器1967年開始運行，數據的採集過程十分艱難，這是由於中微子幾乎不與物質反應，億萬個太陽中微子都能悄無聲息地穿過探測器，科學家們能觀察到的只是偶爾的例外，大約每4天可能會有一個來自太陽的中微子被成功捕獲。

1968年，戴維斯等人宣布成功地「捕捉」到了來自太陽的電子中微子。這一結果引起了國際科技界的轟動。這項實驗結果既證實了電子中微子的存在，也證實了愛丁頓和貝特關於太陽能量來自氫核聚變的理論。進一步的研究還發現，實驗中所觀察到的生成氬（37Ar）的現象，無法利用反應堆產生的電子反中微子再現，由此證明了這是兩種不同的中微子，即電子中微子和電子反中微子。

戴維斯雖然如願成功地測量到了太陽產生的電子中微子，但實驗結果仍存有很大疑問，探測到的中微子數量僅有理論計算預期的三分之一，還有三分之二的中微子不知去向，這「太陽中微子失蹤之謎」讓科學家們大惑不解。

解謎的幾種可能

對於太陽中微子失蹤之謎，科學家們認為存有三種可能：

第一種可能是相關的理論計算也許有問題，要麼理所預言的太陽中微子數量不對，要麼計算出來的產生率有問題。在之後的20年中，計算所用的數據精度在不斷地提高，得出的結果也更加準確。最終，從太陽模型得出的中微子數量和對戴維斯的實驗裝置所能探測到的中微子事例數的計算都沒有明顯的錯誤。

第二種可能是戴維斯的實驗也許不夠精確，未能捕捉到那三分之二的太陽中微子。霍姆斯塔克的探測器每4天可捕獲一個太陽中微子產生的氬氣原子，對於裝有615噸液體的探測器來說，這相當於在大海中撈針。戴維斯採用吹氮氣的手段將氬氣原子從「海」裡撈出來，儘管他證明90 %以上的氬原子都能撈出來，但這還不能使人完全信服，是否他實際上只能撈出30%呢。戴維斯不斷提高實驗的精度，並進行了一系列不同的測試來確認他並沒有忽略某些中微子。令人驚訝的是他竟然鍥而不捨地做了30年實驗，總共探測到大約2000個中微子，不幸的是測量結果始終沒有什麼改變。國際上也有其它實驗組相繼做了類似的實驗，可得到的結果也沒有根本上的不同。

第三種可能是太陽中微子本身在從太陽到地球穿過宇宙空間的過程中也許發生了變化。這是龐特克威（B. Pontecorvo）和格利鮑夫（V. Gribov）1969年提出的設想。他們認為中微子的性質並不像原先想像的那樣簡單。中微子可能具有靜止質量，能量較低的太陽中微子在穿過太陽與地球之間的真空時會從電子中微子轉變成其它類型的中微子，但這種變化並不是永久的，有可能在一段時間後又變回來，所以這種轉變被稱為「中微子振蕩」。用這個概念可以解釋為何那三分之二的太陽中微子失蹤。最初，這一想法並沒有得到大多數人的接受，隨著時間的推移，越來越多的證據開始傾向於中微子振蕩的存在。

龐特克威龐特克威

1986年，米赫耶夫（S. Mikheyev）與斯米爾諾夫（A. Smirnov）將美國沃芬斯坦（L. Wolfenstein）的中微子與物質的相互作用理論應用於太陽中微子問題，提出了媒質的存在有可能使不同類型中微子之間的振蕩變強。

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