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破解太阳中微子失踪之谜

(2018-12-28 18:15:36)
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   1968年雷蒙德·戴维斯(Ramond Davis)首次观测到太阳中微子并发现其通量与约翰·巴考尔(John Bahcall)等理论家基于标准太阳模型所做的预言有明显偏差开始,太阳中微子问题一直困扰着粒子物理学家和天体物理学家,直到2001年麦克唐纳以令人信服的方式证明了来自太阳内部核聚变的电子型中微子部分地转化成另外两种对传统探测技术不敏感的中微子(即μ子型和τ子型中微子),这一难题才得以最终解决。问题背后的物理本质在于中微子具有微小的静止质量,以及不同类型的中微子可以相互转化或振荡。中微子分为3种,分别是电子中微子,缪子中微子与陶子中微子。它们在飞行过程中会不断地相互转化,θ13就是刻画这种“变脸”的概率。这一数据很小,但在大亚湾中微子实验中被精确测定。目前还没有测出了这3种中微子的质量顺序。

  麦克唐纳所领导的SNO合作组在2001和2002年破解了太阳中微子失踪之谜。SNO项目最初是由16位科学家在1984年提出来的,当时该项目的核心人物是加州大学尔湾分校的华人物理学家陈华森,因为是他最早认识到:假如用重水作为太阳中微子的探测媒介,就可以模型无关地确定来自太阳中心核聚变的电子型中微子在到达地球探测器之前是否发生了“味”转化,即是否转化成了对普通水或者其他探测媒介不敏感的μ子型和τ子型中微子。由于太阳中微子的典型能量一般不超过10 MeV,即便电子型中微子部分转化为μ子型或者τ子型中微子,后者到达地球上的探测器内部后也无法触发得以生成μ子(静止质量102 MeV)或者τ子(静止质量1777 MeV)的带电流相互作用。陈华森教授的想法的独到之处在于太阳中微子能够与重水中的氘原子核同时发生带电流、中性流和弹性散射反应。假如电子型中微子在从太阳中心到达太阳表面以及地球探测器的途中没有发生任何异常,那么SNO实验通过上述三种不同的反应过程所测得的太阳中微子通量就应该是相等的。一旦电子型中微子在旅途中部分地转化为其他类型的中微子,那么实验上就应该观测到参与中性流相互作用的中微子的通量明显大于参与弹性散射过程的中微子的通量,而后者又大于参与带电流相互作用的中微子的通量。这一判断的理由很简单:带电流相互作用只对电子型中微子敏感;而另外两种相互作用对电子型中微子、μ子中微子和τ子中微子都敏感,虽然敏感的程度有所不同。上述探测原理不依赖于标准太阳模型的诸多不确定性,因此最终的探测结果将是模型无关、令人信服的。

     1990年1月4日,SNO项目正式启动。合作组的科学家和工程师面临的第一个巨大挑战就是在矿井中建造直径12米的塑料丙烯容器。其次是在探测器中安装9600个光电倍增管并保证它们正常工作,用以探测太阳中微子与重水反应后生成的带电粒子所产生的切伦科夫辐射光。SNO实验于1999年开始取数。2001年6月18日,麦克唐纳及其团队公布了他们测量硼8型太阳中微子与重水的带电流相互作用和弹性散射的实验结果,在3.3σ的置信度水平提供了电子型中微子转化成其他类型的中微子的初步证据。2002年4月21日,SNO合作组进一步公布了他们对中性流相互作用的测量结果,在5.3σ的置信度水平确认了太阳中微子的“味”转化行为,并印证了标准太阳模型对太阳中微子总通量的预言是基本可靠的。这两篇论文在中微子物理学史上具有里程碑的意义,标志着困扰了科学家几十年的“太阳中微子失踪之谜”得以破解。解释SNO实验测量结果的最简单理论图像是中微子振荡。由于中微子具有微小的质量和较大的混合效应,从太阳中心通过核聚变产生的电子型中微子在向外传播的过程中以一定比例转化成了μ子型中微子和τ子型中微子,而后者由于能量太低无法在地球的探测器中触发相应的带电流相互作用,所以无法被戴维斯领导的实验以及其他实验所确认,这就造成了它们“失踪”的假象。SNO实验的独特之处就在于它能够同时测量太阳中微子与重水的三种不同相互作用,因此模型无关地确认了“失踪的电子型中微子其实转化成了别的类型,但太阳中微子的总通量保持不变。

    人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律,但是仍有许多谜团尚未解开。中微子的质量问题到底是怎么回事?中微子有没有磁矩?有没有右旋的中微子与左旋的反中微子?有没有重中微子?太阳中微子的强度有没有周期性变化?宇宙背景中微子怎样探测?它在暗物质中占什么地位?恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘? 这些谜正点是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义,在我的日常生活中也有现实意义。




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