太陽中微子有質(zhì)量

太陽中微子有質(zhì)量

《科學(xué)技術(shù)日報(bào)》2000年出版的《中微子質(zhì)量已經(jīng)確定》第5條。根據(jù)該報(bào)告，日本和美國科學(xué)家在21世紀(jì)的卡爾加里舉行了國際中微子科學(xué)研討會(huì)。展覽總結(jié)了太陽中微子的質(zhì)量理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并對中微子的質(zhì)量進(jìn)行了評估。7月17日,美、日、韓3國科學(xué)家發(fā)表最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確認(rèn)中微子有質(zhì)量的概率達(dá)95%”。中微子有質(zhì)量意味著什么?為了使讀者了解它,本文首先介紹著名的“太陽中微子失蹤案”,然后進(jìn)一步介紹與中微子質(zhì)量問題密切相關(guān)的“中微子振蕩”問題。最后,我們介紹同中微子質(zhì)量密切相關(guān)的“宇宙暗物質(zhì)問題”。一、太陽中微子的概念我們的太陽是一個(gè)質(zhì)量和體積都非常巨大的恒星。它的質(zhì)量為地球的33萬倍,直徑為地球的107倍。其平均密度是水的一半。不過它的很厚的外層大氣比地球大氣還要稀薄。由于它自身強(qiáng)大的重力(即使在太陽表面上,它的重力也要比地球表面重力強(qiáng)30倍),使得太陽質(zhì)量主要集中在它的內(nèi)部。在它的中心附近,物質(zhì)密度相當(dāng)于水的100倍。太陽是一個(gè)非常熾熱的氣體火球,它的表面溫度就高達(dá)5760K。它的中心區(qū)域溫度更是高達(dá)1500萬度左右。我們地球上的生命都離不開太陽的光和熱,從太陽向太空發(fā)出的光和熱的速率(稱為太陽光度)為每秒3.8×1026焦耳。太陽巨大的熱和光來自它的中心區(qū)域內(nèi)持續(xù)不斷的高溫下的熱核燃燒。實(shí)際上,太陽內(nèi)部每時(shí)每刻都有大量自然的“氫彈”在持續(xù)不斷地爆炸,在這種核爆炸過程中每4個(gè)氫原子核結(jié)合成一個(gè)氦原子核,同時(shí)釋放26.73MeV的能量。每4個(gè)氫轉(zhuǎn)化為一個(gè)氦的過程中同時(shí)要放出兩個(gè)正電子和兩個(gè)中微子。正電子同物質(zhì)中的電子相結(jié)合湮滅轉(zhuǎn)化為一對光子。正電子連同電子的能量都一齊轉(zhuǎn)化為光子能量被物質(zhì)吸收而存留在太陽內(nèi)部,使物質(zhì)加熱。至于放出的中微子,攜帶著2%的由熱核反應(yīng)所釋放的能量立即離開太陽。太陽內(nèi)部每秒鐘都有7750萬噸的氫在這種熱核爆炸過程中轉(zhuǎn)化為氦,正是由于這種熱核燃燒維持著太陽巨大的光度。太陽內(nèi)部這樣規(guī)模的熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了45億年。天文學(xué)家估計(jì)它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒50億年左右。太陽內(nèi)部這種由4個(gè)氫原子核結(jié)合轉(zhuǎn)化為氦原子核的過程實(shí)際上是通過一系列核反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。釋放出的中微子也可能具有不同的能量。用化學(xué)元素符號(hào)代表與它相應(yīng)的原子核,其左上角的數(shù)字表示該種原子核的原子量。e+表示正電子,νe表示電子中微子。第1個(gè)核反應(yīng)為兩個(gè)氫原子核(即質(zhì)子)碰在一起結(jié)合成氘。氘由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成,它常以符號(hào)D表示。在這種核轉(zhuǎn)化過程中,同時(shí)放出一個(gè)正電子和電子中微子。后者的能量很低,常稱它為低能中微子,科學(xué)文獻(xiàn)中更常稱為pp中微子。在這個(gè)反應(yīng)中放出的中微子的能量可能不相同,其能量連續(xù)分布,我們稱它具有連續(xù)譜。其最大能量為0.420MeV,平均能量為0.265MeV。第二個(gè)反應(yīng)是7Be(鈹7),這個(gè)原子核俘獲一個(gè)電子轉(zhuǎn)化為7Li(鋰7),同時(shí)放出一個(gè)中能中微子,常稱為7Be中微子,其能量為0.86MeV(90%的可能性)或?yàn)?.38MeV(10%的可能性)。第三個(gè)反應(yīng)是8B(硼8)的β+衰變,它放出的中微子能量是連續(xù)的,它的極大能量為`14MeV,平均為7.2MeV。它被稱為高能中微子,或8B中微子。從太陽中微子流量的理論預(yù)言值可以看出,從太陽發(fā)射出來的中微子主要是低能中微子。而中能中微子的流量只占低能中微子流量的1/17,而高能中微子流量只有低能中微子流量的1/27000。這些結(jié)論都只是按照天文學(xué)家公認(rèn)的太陽標(biāo)準(zhǔn)模型和粒子物理學(xué)關(guān)于中微子的標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算出來的理論預(yù)言值。它們果真是這樣的嗎?這需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),最好是能夠直接探測到從太陽射來的各種中微子,并且測定它們的流量。二、2中微子的探測早在中微子被實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前的1946年,物理學(xué)家B.Pontecorvo就提出了利用氯探測器來探測中微子的建議。其原理大致如下:如果用電子中微子流轟擊37Cl(它是氯的兩種穩(wěn)定同位素之一在地球物質(zhì)中,37Cl占24.23%,而35Cl占75.77%),它會(huì)吸收中微子而轉(zhuǎn)化為氬的一種不穩(wěn)定的同位素37Ar,同時(shí)放出一個(gè)電子。反應(yīng)產(chǎn)物37Ar將通過電子俘獲過程再還原為37Cl(同時(shí)再放出一個(gè)中微子)。不過放射性核素37Ar的半衰期為35天。一段時(shí)間以后,用化學(xué)提純的方法把37Ar提取出來,然后測量它的放射性。通過這種方法可以記錄打在探測器上入射中微子的數(shù)目。這種探測中微子的方法稱為放射性化學(xué)方法。后來人們又提出了許多與37Cl→37Ar類似的放射性化學(xué)方法來探測太陽中微子。例如,利用71Ga(鎵)(吸收中微子并放出電子)→71Ge(鍺)反應(yīng)來探測太陽中微子的鎵探測器。氯探測器只能探測中能和高能中微子,探測不到低能中微子。鎵探測器的優(yōu)點(diǎn)在于它可以同時(shí)探測到低、中、高能3種中微子。不過,由于鎵是價(jià)格極其昂貴的稀有金屬,難以大量收集它來建造中微子探測器。而37Cl則可由海鹽直接大量提取,價(jià)廉物美。人們自然地首先想到利用氯來制造中微子探測器。由于中微子與反中微子的性質(zhì)不同,所以應(yīng)該使用不同的探測器。氯和鎵制作的探測器只能用來探測中微子,至于反中微子,可以利用我們后面要介紹的水探測器來探測。自1956年物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)中微子是真實(shí)存在的實(shí)物粒子以后,探測強(qiáng)大的太陽中微子就成為物理學(xué)家迫切的任務(wù)。Davis等物理學(xué)家從1958年開始籌建國際上第一個(gè)氯探測器來探測太陽中微子,測定它的流量。其主要目的是檢驗(yàn)上述太陽核心熱核產(chǎn)能理論是否正確。通過中微子探測,人們可以直接“看”到太陽內(nèi)部的熱核聚變反應(yīng)。人們通過太陽中微子流量和能譜(指流量隨其中微子能量的分布)的測定來推斷太陽核心的溫度和化學(xué)成分。在美國南達(dá)科他州Homestake的地下廢礦井中,采用455m3的C2Cl4作為探測材料建立了一個(gè)大型的中微子探測器。中微子同物質(zhì)相互作用非常微弱,理論上定義一個(gè)太陽中微子單位(以符號(hào)SNU表示)是每秒鐘太陽中微子與1036個(gè)靶原子相互作用產(chǎn)生一個(gè)事例,即1SNU=1事例/(秒·1036靶原子)。理論預(yù)言,Davis等人的探測裝置可以探測到的太陽中微子事件數(shù)為(7.9±2.6)SNU。1968年Davis等人公布了他們對太陽中微子首批探測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)實(shí)際測量到的結(jié)果為(2.1±0.3)SNU(據(jù)2000年發(fā)表的30年累積探測的平均結(jié)果為(2.56±0.23)SNU,相差不大)。即實(shí)測結(jié)果僅有理論值的1/3,2/3的太陽中微子確確實(shí)實(shí)地“失蹤”了。這就是1995年以前20多年間國際科學(xué)界著名的太陽中微子失蹤案的惟一但可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這個(gè)結(jié)果立即震驚了全世界,曾被新聞媒體炒得特別紅火。三、7中微子事件的探測理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)探測結(jié)果的這種巨大差異,促使嚴(yán)肅的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家計(jì)劃籌建不同的探測器進(jìn)一步探測太陽中微子,也促使天體物理學(xué)家重新審查已經(jīng)被認(rèn)為研究得比較清楚的太陽(內(nèi)部狀況)標(biāo)準(zhǔn)模型。它更促使活躍的粒子物理學(xué)家認(rèn)真地審查我們對于中微子性質(zhì)的了解是否正確。這類探測器都有一個(gè)最低的靈敏極限。能量低于這個(gè)極限值的中微子不能引起探測器的儀器起反應(yīng)。這好比一個(gè)細(xì)微的塵埃輕輕地碰撞到人體上,人不會(huì)有感覺一樣。只有當(dāng)具有一定速度或能量的沙粒打在我們身上,我們才會(huì)感覺到沙粒的存在。這個(gè)最低的靈敏極限能量叫做“能閾”。也就是說,中微子探測器只能探測能量高于探測器能閾值的中微子。上述氯探測器的能閾值為0.814MeV。從太陽射出的低能中微子的能量遠(yuǎn)低于這個(gè)能閾值,因而它們不能引起探測器的反應(yīng)。而太陽中微子中的具有能量為0.86MeV的中能中微子能量剛好超過這個(gè)能閾值。當(dāng)然,太陽的高能中微子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它。因此,Davis等人建造的上述氯探測器并不能探測太陽中微子中數(shù)量最多的太陽低能中微子。它對只有低能中微子流量三十萬分之一的高能中微子卻非常敏感。氯探測器上記錄中微子事件的77%是來自高能(8B)中微子,15%來自中能(7Be)中微子。還有8%來自太陽內(nèi)部更為次要的核反應(yīng)過程(碳、氮、氧循環(huán))產(chǎn)生的中微子,簡稱為CNO中微子,屬于中能中微子。為了探測流量最多的太陽低能中微子,人們不得不花費(fèi)極其昂貴的代價(jià)建立能閾值低達(dá)0.233MeV的鎵探測器。為此,歐美合作建造了GALLEX裝置,美蘇合作建造了SAGE裝置,美國加拿大合作建造GNO裝置等鎵探測器來探測中微子。自1995年以來這些中微子探測器就開始陸續(xù)投入持續(xù)不斷的探測工作。按照太陽標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言,在這種鎵探測器上可以探測到的太陽中微子事件數(shù)應(yīng)為124SNU。其中,太陽低能(pp)中微子在鎵探測器的貢獻(xiàn)約為74SNU,高能(8B)中微子在鎵探測器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為16SNU,7Be中微子和CNO中微子在鎵探測器上的貢獻(xiàn)分別為34和10SNU。迄至2000年底,在GALLEX和GNO的鎵探測器上實(shí)際探測到的中微子事件數(shù)為(74±7)SNU,而在SAGE的鎵探測器上探測的中微子事件數(shù)為(75±8)SNU。不同的鎵探測器上的測量值很相近,約為理論預(yù)言值的60%。前面已提到,氯、鎵等放射性化學(xué)探測器只能探測中微子,不能探測反中微子。為了探測來自宇宙線中的中微子和反中微子,日本在神岡,美國IMB(一個(gè)科學(xué)研究合作組的簡稱)分別建造了可以直接探測入射中微子或反中微子方向的水切連柯夫裝置作為中微子探測器。其原理是,能量較高的中微子或反中微子同物質(zhì)中的電子相碰撞發(fā)生彈性散射時(shí),會(huì)把很高的動(dòng)能傳遞給電子,電子因此沿著中微子入射方向高速運(yùn)動(dòng),其速度超過物質(zhì)中的光速(低于真空中的光速)。速度超過介質(zhì)中光速的電子會(huì)發(fā)光,稱為切連柯夫輻射。只要探測這種切連柯夫輻射,就可以確切地判斷中微子事件的發(fā)生。通常是在很大的容器中灌滿純水作為這種背景物質(zhì),其中安置許多特制的閃爍器可以探測和記錄這個(gè)快速反彈電子發(fā)出的切連柯夫輻射。這種根據(jù)中微子與電子彈性散射而建造的實(shí)驗(yàn)至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):其一是由反彈電子運(yùn)動(dòng)方向可以確定入射高能中微子的方向,另一優(yōu)點(diǎn)是由反彈電子的能譜(指具有一定能量的電子數(shù)目隨能量的變化曲線)可以確定入射高能中微子的能譜。日本神岡和美國IMB的這兩個(gè)中微子探測器在1987年2月幾乎同時(shí)記錄了太空中一顆超新星爆發(fā)時(shí)伴隨的強(qiáng)大中微子暴的中微子流,這給科學(xué)家研究超新星爆發(fā)機(jī)制以及物理學(xué)家研究中微子(例如,確定中微子質(zhì)量)提供了非常寶貴的觀測數(shù)據(jù)。但遺憾的是,日本神岡探測器的時(shí)鐘當(dāng)時(shí)發(fā)生了故障,使記錄的中微子流到達(dá)時(shí)間的誤差達(dá)到了1小時(shí)左右,鐘表大國日本的這種失誤給天文學(xué)家研究超新星爆發(fā)帶來了很大的不確定性。不過,根據(jù)當(dāng)時(shí)探測記錄的中微子流的方向,確定指向當(dāng)時(shí)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測的超新星方向。這顆超新星位于大麥哲倫云(一個(gè)位于銀河系近旁的河外星系)內(nèi),它距離地球約170萬光年。我們今天觀測到的光和中微子,實(shí)際上是在170萬年以前發(fā)出的,也就是說,這顆超新星實(shí)際上是在170萬年以前爆發(fā)的。這種水切連柯夫中微子探測器的探測能閾值相當(dāng)高。最初建造的探測器能閾值為9MeV。神岡中微子探測器擴(kuò)建后,又新建規(guī)模更大的水切連柯夫中微子探測器,以提高探測效率和降低探測能閾值。例如,被稱為“超神岡”的中微子探測器采用了5萬噸純水,使探測效率提高了30倍,并且使探測能閾值下降到6.5MeV。由于神岡和超神岡中微子探測器的能閾值太高,太陽低能和中能中微子不能引起它們反應(yīng),因而這類探測器探測到的中微子全部都是8B高能中微子。神岡和超神岡的中微子探測器分別從1993年底和1996年10月開始正式對太陽中微子進(jìn)行探測。幾年來持續(xù)不斷的探測已經(jīng)累積了大量數(shù)據(jù)資料。從這些數(shù)據(jù)資料的分析發(fā)現(xiàn),這些高能中微子的確來自太陽方向,而且,它們的能譜同太陽模型理論預(yù)言的能譜符合得很好。其實(shí),不同的太陽模型預(yù)言的8B高能中微子流量可能有很大的差別,甚至可以相差3倍。不過,這些不同的理論模型預(yù)言的8B中微子能譜卻相差不大,這表明這些理論模型的最主要框架基本上是相同的。按照1998年標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算,理論預(yù)言在這種探測器上記錄的中微子事件數(shù)應(yīng)為(1.0±0.1)SNU,迄至2000年夏天,神岡和超神岡的中微子探測器累積的實(shí)測記錄分析結(jié)果分別為(0.54±0.07)和(0.47±0.02)SNU,約為理論預(yù)言值的一半。我們已經(jīng)介紹了上述3種不同類型(氯、鎵和水切連柯夫)的中微子探測器實(shí)測結(jié)果分別為中微子事件數(shù)理論預(yù)言值的1/3,60%和50%。這種明顯的矛盾表明,我們對太陽中微子的認(rèn)識(shí)肯定有錯(cuò)誤。錯(cuò)誤來自何方?是天文學(xué)家的太陽“標(biāo)準(zhǔn)模型”錯(cuò)了,還是物理學(xué)家關(guān)于中微子理論的“標(biāo)準(zhǔn)模型”錯(cuò)了?在討論這個(gè)問題之前,我們還應(yīng)當(dāng)了解近年來有關(guān)8B高能中微子探測結(jié)果引發(fā)的更嚴(yán)重后果。我們已經(jīng)知道,神岡或超神岡探測器探測的全部都是8B中微子。8B中微子的平均能量為7.2MeV,但實(shí)際上它的能譜是連續(xù)的。即太陽產(chǎn)生的8B中微子可以具有不同的能量。從很低的能量(低于0.1MeV)開始,直到最高達(dá)到14MeV,8B中微子的能量連續(xù)不斷。但具有能量在(8～9)MeV范圍內(nèi)的8B中微子數(shù)量最多。因而8B中微子的總平均能量為7.2MeV。因此,應(yīng)該說,由于探測器能閾值的限制,可能還有一小部分能量低于能閾值的8B中微子沒有被探測器感受因而沒有記錄下來。在神岡和超神岡探測器上探測記錄的太陽中微子只是到達(dá)地球的8B中微子流的大部分。人們自然地要想到這些8B中微子流也必然會(huì)對美國Homestake的氯探測器以及在位于意大利、蘇聯(lián)、加拿大等地的鎵探測器起反應(yīng)。也就是說,同樣的8B高能中微子流也必定分別被氯和鎵探測器所記錄。通過37Cl吸收各種能量中微子的速率的計(jì)算,人們推斷這個(gè)8B中微子流在Homestake氯探測器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為(3.2±0.45)SNU。這單獨(dú)8B中微子流的貢獻(xiàn)就已經(jīng)明顯超過了30年來Homestake的氯探測器測定的平均反應(yīng)率。那末,7Be和CNO等中能中微子對氯探測器實(shí)驗(yàn)不僅沒有貢獻(xiàn),反而為負(fù)(-0.66SNU),這顯然是荒唐的結(jié)果!在理論上,這些中能中微子對氯探測器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為總反應(yīng)率的1/4。類似地,通過71Ga吸收各種能量中微子的速率的計(jì)算,人們推斷這同樣的8B中微子流在GALLEX和SAGE鎵探測器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為7SNU。它的貢獻(xiàn)加上太陽pp低能中微子流對這類鎵探測器反應(yīng)的貢獻(xiàn)之和超過了80SNU,已經(jīng)超過了鎵探測器上記錄的中微子事件反應(yīng)率。同樣也不需要7Be和CNO中能中微子流的貢獻(xiàn)。綜合上述分析,人們得出結(jié)論:這些實(shí)驗(yàn)探測結(jié)果幾乎沒有任何可調(diào)節(jié)的余額留給7Be中微子和CNO中微子。也就是說,從現(xiàn)有的太陽中微子探測器聯(lián)合探測的最新結(jié)果推斷的結(jié)論是:7Be中微子和CNO中微子(都屬于中能中微子)幾乎不存在,或者說它們幾乎完全失蹤了。這是當(dāng)今最嚴(yán)重的太陽中微子問題。四、太陽中微子理論與實(shí)驗(yàn)探測的比較1968年當(dāng)Davis等人公布他們的氯探測器實(shí)測結(jié)果僅有理論值的1/3,2/3的太陽中微子不知去向時(shí),天文學(xué)界和物理學(xué)界立即沸騰起來,各種五花八門的理論與解釋都提出來了。不少富于幻想的天文學(xué)家提出了各式各樣的非標(biāo)準(zhǔn)甚至離奇古怪的太陽模型。例如,有人甚至提出,太陽巨大的熱和光的能源并不是其內(nèi)部的熱核燃燒,而是在它的中心處有一個(gè)“