諾貝爾天文學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)賞析第四章

1、第四講、太陽(yáng)中微子失蹤之謎1、中微子2、太陽(yáng)中微子的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)3、太陽(yáng)中微子失蹤之謎4、太陽(yáng)中微子失蹤- 被徹底揭開(kāi)的艱辛歷程5、來(lái)自SN1987A的中微子檢測(cè)6、中微子在天文學(xué)研究的意義一、中微子 1 、什么是中微子 中微子是一種基本粒子。它和電子同屬輕子、質(zhì)量比電子更輕。 中微子質(zhì)量很小,趨近于零但不等于零。中微子不帶電呈電中性，它有極強(qiáng)的穿透能力,幾乎不和其它粒子發(fā)生相互作用。 1930年,由瑞士籍奧地利物理學(xué)家泡利提出來(lái)的中微子感念，意大利物理學(xué)家費(fèi)米為它取的名字。 1930年，當(dāng)時(shí)已經(jīng)觀測(cè)到了由自由中子衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有一部分能量丟失。 于是，物理學(xué)家泡利提出，這丟失的能量

2、可能被一種未能檢測(cè)到的、很輕的、不帶電的粒子帶走了，這種帶走能量的粒子就是中微子。 2、中微子的檢測(cè)方法 我國(guó)科學(xué)院院士王淦昌教授，是最早提出檢測(cè)中微子方法的科學(xué)家。 他在1942年，提出一個(gè)方法可以間接檢測(cè)到中微子。 基本原理：是利用鈹?shù)耐凰睾耍?Be）去俘獲原子的一個(gè)最內(nèi)層（k層）的電子。 原子核中的一個(gè)質(zhì)子衰變?yōu)橹凶佣兂射囋?，這時(shí)應(yīng)釋放出一個(gè)中微子。只要測(cè)出鋰元素的動(dòng)量或能量，就可推測(cè)出中微子。 1952年，美國(guó)科學(xué)家雷蒙德.戴維斯就是依據(jù)上述方法，間接證明了中微子的存在。 1955年，美國(guó)物理學(xué)家柯溫和萊因斯共同直接探測(cè)到中微子真實(shí)存在。 因此萊因斯獲得1995諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。另

3、一位學(xué)者柯溫因?yàn)槿ナ捞?，沒(méi)能獲得1995諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 備注： 他們手段是，采用200升的水和370加倫的液體閃爍體（1美加倫=3.78543升），做探測(cè)器埋在很深的地下。 在它附近放置一個(gè)能放射極強(qiáng)中微子束的核反應(yīng)堆。經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，才測(cè)到了為數(shù)不多的中微子。3 、太陽(yáng)中微子 目前,已知的中微子只有三種類(lèi)型:電子型中微子、型中微子和型中微子。 到1998年7月，三種類(lèi)型的中微子均被地面上大型加速器探測(cè)到了。 太陽(yáng)輻射出來(lái)的中微子屬于電子型中微子。 目前實(shí)驗(yàn)證明，中微子是有靜止質(zhì)量。但沒(méi)有測(cè)定出具體數(shù)值。 因此，三種中微子之間會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)化的狀態(tài)，即電子型中微子在行進(jìn)過(guò)程中：會(huì)出現(xiàn)時(shí)而處于型

4、中微子、 型中微子；時(shí)而又恢復(fù)到電子型中微子狀態(tài)。 型中微子也會(huì)轉(zhuǎn)化為型中微子 4 、太陽(yáng)中微子是如何產(chǎn)生？ 太陽(yáng)能量來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部的氫聚變成氦的熱核反應(yīng)。 根據(jù)太陽(yáng)內(nèi)部熱核反應(yīng)理論：4個(gè)氫原子合成一個(gè)氦原子核時(shí),就會(huì)產(chǎn)生2個(gè)中微子。 太陽(yáng)每秒鐘大約消耗5.6億頓的氫,這樣將釋放1.4 10個(gè)中微子并向四面八方傳播。 地球?qū)⒉粩嗟卦獾綇奶?yáng)內(nèi)部輻射出的大量中微子的轟擊。 太陽(yáng)釋放出來(lái)的中微子屬于電子型中微子。二、太陽(yáng)中微子的檢測(cè) 太陽(yáng)中微子探測(cè)確實(shí)是一項(xiàng)相當(dāng)困難的課題。 在 20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家甚至認(rèn)為根本就不可能探測(cè)到太陽(yáng)中微子。 美國(guó)科學(xué)家雷蒙德. 戴維斯(1914- )是唯一的一位敢

5、于堅(jiān)持探測(cè)太陽(yáng)中微子的科學(xué)家。 1967年，美國(guó)科學(xué)家雷蒙德.戴維斯領(lǐng)導(dǎo)研制了一種中微子氯探測(cè)器。 他們將一個(gè)巨大容器放置在南達(dá)科他州地下1500米的一個(gè)舊金礦里,容器內(nèi)裝610頓四氯乙烯液體。 根據(jù)理論計(jì)算，在太陽(yáng)中微子的作用下，應(yīng)當(dāng)有35個(gè)氬原子產(chǎn)生。 歷經(jīng)30年的艱辛探測(cè)，他們共發(fā)現(xiàn)來(lái)自太陽(yáng)的中微子2000多個(gè)。 中微子是被觀測(cè)到了。但與理論預(yù)算值卻小的很多，出現(xiàn)了太陽(yáng)中微子丟失問(wèn)題。三、太陽(yáng)中微子的失蹤之謎 太陽(yáng)中微子是觀測(cè)到了,但數(shù)量遠(yuǎn)比理論預(yù)測(cè)值要少的多,僅為理論值的1/3。另外的2/3太陽(yáng)中微子卻沒(méi)有觀測(cè)到,這就是著名的太陽(yáng)中微子失蹤之謎。 這失蹤的2/3太陽(yáng)中微子，原因何在：

6、1、是由于探測(cè)技術(shù)和方法有缺陷 ？ 2、是太陽(yáng)內(nèi)部熱核反應(yīng)理論不完善？ 3、是中微子的理論模型出了問(wèn)題？ 以上三個(gè)方面都是太陽(yáng)中微子失蹤懸案所涉及的重要問(wèn)題。為揭開(kāi)太陽(yáng)中微子失蹤懸案，世界各國(guó)科學(xué)家為此開(kāi)展多方面的研究和探索。 1 、首先質(zhì)疑的是戴維斯的探測(cè)儀器本身的性能與可靠性問(wèn)題。 戴維斯采用氯原子作為俘獲劑的中微子氯探測(cè)器其靈敏度確實(shí)較低,只能探測(cè)到一部分高能的太陽(yáng)中微子。 而中低能量太陽(yáng)中微子氯探測(cè)器確實(shí)探測(cè)不到。 為了探測(cè)具有中、低能量的太陽(yáng)中微子。歐美合作、美蘇合作研制了新型的鎵中微子探測(cè)器。 其原理就是利用鎵吸收中微子后，變成鍺原子核過(guò)程尋找中微子。 鎵探測(cè)器比氯探測(cè)器的靈敏度更

7、高，而且又能探測(cè)到能量較低的中微子。四、揭開(kāi)太陽(yáng)中微子失蹤之謎的艱難歷程 德國(guó)普朗克核物理研究所建造了鎵中微子探測(cè)器。意大利一項(xiàng)名為GALLEX的實(shí)驗(yàn)，把含有30頓鎵溶液放進(jìn)地下1200米深的礦井內(nèi)，探索中微子。 美蘇合作在俄羅斯高加索使用60頓金屬鎵進(jìn)行太陽(yáng)中微子探測(cè)。 1987年，日本利用太陽(yáng)中微子穿過(guò)水時(shí)會(huì)發(fā)生微弱閃光原理，在1000米深礦井內(nèi)，放置一個(gè)裝滿2140頓水容器和948支光電倍增管，檢測(cè)進(jìn)入水中太陽(yáng)中微子。 到2000年為止,所有這些中微子探測(cè)器，雖然測(cè)得的太陽(yáng)中微子數(shù)有所增加,但也遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理論的預(yù)測(cè)值。 太陽(yáng)中微子失蹤之迷仍然沒(méi)有解決。2 、小柴昌俊中微子探測(cè)器及探測(cè)結(jié)果

8、 20世紀(jì)90年代, 日本科學(xué)家小柴昌俊等人，采用中微子在水池中發(fā)生碰撞產(chǎn)生高能電子發(fā)出光子的原理， 制作了中微子水切連科夫探測(cè)器。備注：切連克夫及切連克夫輻射 切連克夫：前蘇聯(lián)物理學(xué)家。 1934年，他在液體介質(zhì)中最先發(fā)現(xiàn)了一種特殊的輻射，這種輻射是由“超光速”帶電粒子引起的， 稱為切連克夫輻射。 切連克夫輻射：輻射不是直接由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子本身發(fā)出來(lái)的。而是由組成介質(zhì)的原子、分子中的電子在這個(gè)“超光速”帶電粒子的電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生了加速而發(fā)出的次波。 這些次級(jí)波互相干涉的結(jié)果，可以產(chǎn)生輻射。 在真空中做等速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子不會(huì)產(chǎn)生輻射。 然而當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要它的速度大于介質(zhì)中的光的

9、相速，就會(huì)產(chǎn)生一種特殊輻射，即切連克夫輻射。 “超光速”：當(dāng)一個(gè)以 = 0.8 c 的速度進(jìn)入某種介質(zhì)中的帶電粒子。 因介質(zhì)有折射率n ，假定為 n =1.4（介質(zhì)的折射率都大于1），在介質(zhì)中光的速度（相速）、用u表示， 則 有： u = c / n 0.7c ， 由此得出 u 即“超光速” 現(xiàn)象。 中微子水切連科夫探測(cè)器探測(cè)到了太陽(yáng)中微子,而且中微子能譜與理論預(yù)言能譜符合。 但測(cè)得的中微子數(shù)也僅為理論值一半,中微子失蹤問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。 小柴昌俊的探測(cè)結(jié)果,雖然沒(méi)有解決中微子失蹤問(wèn)題，但他有力地支持了戴維斯的探測(cè)實(shí)驗(yàn)。 #小柴昌俊的探測(cè)結(jié)果，肯定了中微子失蹤不是戴維斯的探測(cè)儀器性能與可靠性造

10、成的。3 、中微子失蹤之迷徹底揭開(kāi) 1 ）、 中微子丟失問(wèn)題跟探測(cè)儀器本身無(wú)關(guān) 小柴昌俊的探測(cè)結(jié)果，肯定了中微子失蹤不是戴維斯的探測(cè)儀器性能與可靠性造成的。 2 ）、 第二個(gè)質(zhì)疑的太陽(yáng)中微子理論模型可能有問(wèn)題? 為此,科學(xué)家又提出各種可能的熱核反應(yīng)理論,但最終確認(rèn)現(xiàn)在的太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型即氫變成氦熱核反應(yīng)理論模型沒(méi)有錯(cuò)! 3 ）、第三個(gè)被懷疑的是中微子模型有問(wèn)題? 現(xiàn)有的三種中微子：電子型中微子、中微子和中微子，如果中微子質(zhì)量為零,三種中微子彼此之間是不相關(guān)聯(lián)的。 4 ）、如果中微子有質(zhì)量就可能互相轉(zhuǎn)化 1994年美國(guó)科學(xué)家洛斯.阿拉穆斯試驗(yàn)給出： 中微子具有微小質(zhì)量,現(xiàn)已被國(guó)際科學(xué)界所公認(rèn) 。 但

11、中微子的質(zhì)量等于多少目前尚無(wú)定論。 中微子質(zhì)量下限為500萬(wàn)分之一電子的質(zhì)量，電子質(zhì)量為：9.110-28克。 根據(jù)太陽(yáng)中微子理論模型，太陽(yáng)內(nèi)部氫變成氦的熱核反應(yīng)過(guò)程中，產(chǎn)生的中微子應(yīng)都是電子型中微子。 如果中微子有質(zhì)量,這些中微子從太陽(yáng)內(nèi)部到達(dá)地球過(guò)程中，有可能轉(zhuǎn)換成其他兩種類(lèi)型的中微子，即：中微子和中微子。 5 ）、 2002年,由國(guó)際上17單位、179位科學(xué)家組成的課題組,使用加拿大重水探測(cè)器進(jìn)行太陽(yáng)中微子探測(cè)。最終探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)方向的中微子和中微子。而且數(shù)量與理論預(yù)計(jì)基本吻合,中微子失蹤之迷終于解開(kāi)（三種類(lèi)型中微子之和）。 中微子探測(cè)的開(kāi)拓者：美國(guó)的戴維斯和日本的小才昌俊兩位科學(xué)家共同

12、獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 長(zhǎng)期以來(lái),人類(lèi)只能根據(jù)觀測(cè)太陽(yáng)表面來(lái)推斷太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 而中微子是從太陽(yáng)內(nèi)部釋放出來(lái)的,如果能觀測(cè)到中微子并能得到中微子的確切質(zhì)量大小,將是研究太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化的非常有效手段之一。五、來(lái)自SN1987A的中微子檢測(cè) 1987年3月23日在銀河系臨近的大麥哲倫星系中觀測(cè)到一次超新星爆發(fā)，命名為：SN1987A。 在SN1987A爆發(fā)過(guò)程中，地面的日本神岡、美國(guó)俄亥俄、意大利和前蘇聯(lián)的4個(gè)中微子觀測(cè)站。 都檢測(cè)到了來(lái)自17萬(wàn)光年以外的這次超新星爆發(fā)過(guò)程中釋放的中微子。 一共檢測(cè)到SN1987A發(fā)射出的中微子為27個(gè)中微子事件。 雖然它與理論上發(fā)射到地球上的中微子數(shù)要有10，相比太少了。但它卻具有劃時(shí)代的意義， 因?yàn)檫@是第一次檢測(cè)到河外星系中爆發(fā)的超新星產(chǎn)生的中微子。 從此，開(kāi)辟了太陽(yáng)系外的中微子天文學(xué)研究六、中微子在宇宙學(xué)研究中的作用？ 中微子與暗物質(zhì)有沒(méi)有關(guān)系？ 1、 構(gòu)成暗物質(zhì)的主體是什么？ 構(gòu)成暗物質(zhì)的主體是什么？現(xiàn)在人們還不是太清楚。人們?nèi)粘Ｋ?jiàn)的物體，都是由原子組成的。 而原子的原子核都是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。質(zhì)子和中子都屬于重粒子。 人們一直猜想暗物質(zhì)的