太阳中微子问题

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太阳中微子问题太阳中微子问题又称中微子消失之谜，是测量到的太阳中微子流量与理论计算相比出现缺失的问题。

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概述

又称中微子消失之谜 太阳中微子问题是测量到的太阳中微子流量与理论计算相比出现缺失的问题。20世纪60年代晚期，美国南达科他州矿井中的Homestake实验首次测量了太阳产生的中微子的流量，发现大约只有根据标准太阳模型计算出来的三分之一。1980年代，日本的神冈探测器也发现了类似的现象。 针对太阳中微子的缺失问题，人们首先想到的是修改标准太阳模型。如果测量到的中微子流量是准确的，那么要求太阳核心的温度比标准太阳模型中的温度低，而日震观测发现实际温度与标准太阳模型符合得很好。此外，无论怎样调整太阳标准模型都无法符合观测得到的中微子能谱，对模型进行任何调整都会令矛盾增多。 另一种解释是中微子振荡，即中微子在传播到地球途中发生了转换。中微子有三种，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。粒子物理学的标准模型预言，中微子是没有静止质量的粒子。如果三种中微子之间可以相互转换，那么意味着中微子是有质量的，这将对粒子物理学的许多基本观念提出挑战。 1998年，日本的超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据，表明μ子中微子转换成了τ子中微子。2001年，加拿大的萨德伯里中微子天文台发表了测量结果，探测到了太阳发出的全部三种中微子，其中35%是电子中微子。三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言符合得很好，解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。Homestake实验的领导者雷蒙德·戴维斯和神冈探测器的领导者小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

理论的正确性

诺贝尔物理学奖可以说是最戏弄人的。最著名的当数爱因斯坦的相对论，它动摇了牛顿物理学的理论基础，但爱因斯坦在有生之年未能给出有效证明，导致他没能因为相对论而获诺贝尔物理学奖。巴赫恰勒的太阳中微子理论却与相对论不同。巴赫恰勒曾与美国布鲁克黑文国家实验室小雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）合作，证明了太阳中微子理论的正确性，而且日本东京大学的小芝（Massatoshi Koshiba）后来通过试验，也证实了这一理论。 2002年，戴维斯、小芝以及另一位科学家里卡多?贾尼科（Ricardo Giacconi）因为太阳中微子相关研究，分享了该年度诺贝尔物理学奖，唯独巴赫恰勒榜上无名。尽管如此，他并没有退出人们的视线，反而在天体物理学领域取得了巨大成就，并为世人认可。根据美国航空航天局戈达德太空飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center）公开的简历中记载，巴赫恰勒也是哈勃望远镜的创立人之一。

微子消失之谜

科学家从20世纪70年代就开始测量抵达地球的中微子，然而有关结果仅为根据太阳活动理论算出的几分之一，看上去好像有大量来自太阳的中微子“失踪”了。这就是所谓的“太阳中微子失踪之谜”，它意味着太阳活动理论或当时的中微子理论至少有一个存在问题。 在当时的中微子理论中，中微子是一种没有质量的粒子。当时，人们已经发现了三种中微子，分别是电子中微子，μ子中微子和τ子中微子。中微子只参与弱相互作用，其中电子中微子只参与有电子参与的弱相互作用，μ子中微子只参与有μ子参与的弱相互作用，τ子中微子只参与有τ子参与的弱相互作用。由于弱相互作用非常弱，中微子与物质的反应截面极小，探测起来非常困难。同时，由于反应截面小，而中微子又没有质量，没有任何一种机制能让中微子从太阳到地球这样的空间的传播过程中消失掉。 人类第一次探测到中微子，是1956年美国物理学家莱尼斯和科恩小组，利用萨瓦纳河工厂的反应堆,进行的一次实验。实验反应堆产生强大的中子流并伴有大量的β衰变，放射出电子和反中微子，反中微子轰击水中的质子，产生中子和正电子，当中子和正电子进入到探测器中的靶液时，中子被吸收,正电子与负电子湮灭，产生高能γ射线,从而来判定反应的产生。虽然反中微子通量高达每秒每平方厘米5×10的13次方个，但当时的探测记数每小时还不到3个。在这个实验中，中微子的探测部分主要以反中微子袭击质子，产生中子和正电子的方式被探测到。能够探测到的，实际上只有电子反中微子。 随后观测太阳中微子的方法，也都是只能观测电子中微子的方法。但是由于太阳产生的也就是电子中微子。因此太阳中微子消失之谜困扰了人们几十年。

消失之谜解除

2002年在日本神冈开展反应堆中微子探测的日、美、中科学家12月6日分别在各自国家、在相约定的时间同时宣布发现了核反应堆中微子产生的电子反中微子消失的现象，从而揭示了“太阳中微子丢失”的秘密，把人类对宇宙的探索向前推进了一步。 通过这一实验，人们发现不仅太阳中微子会“消失”，反应堆中产生的中微子也会在传播途中“消失”。其实，通过修改原有理论，人们已经发现，只要中微子质量不为零，那么三种中微子就可能存在混合。一种中微子在传播途中会有一种中微子转变成另一种中微子。对于只能探测电子中微子的实验装置来说，中微子确实好像消失了一样。 回到2001年，萨德伯里中微子观测站的科学家宣布，找到了“太阳中微子失踪之谜”的原因，引起科学界的轰动，被美国《科学》杂志评为2001年10大科技成就之一。不过，那时的发现只是把所观测到的数据与其他观测站以前的数据相比后得出的结论。其后，科学家对他们的观测数据深入分析，找到了直接观测中微子的方法：当中微子进入装有重水的容器后，碰到重水的原子核后会被弹开；弹开的原子核碰到另一个重水的原子核后会与之发生反应，变成氚的原子核，同时释放出一些γ射线。所有的中微子都会引起这样的反应，通过测量γ射线的数量，科学家就可知道有多少中微子存在。 这种方法是一种测量所有中微子直接和明显的方法，也是科学家首次掌握如何同时测量所有中微子的方法。据此，直接证实了太阳中微子并未失踪。 太阳中微子消失之谜最终定案。