影片《2012》的科学解读 :中微子的威力

太阳系之谜10（中微子失踪之谜）
时间： 2009年06月01日   作者：佚名    来源：网络     1136人正在讨论相关问题 
  
中微子是一种不带电、质量极小、穿透力极强的基本粒子，它有三种类型，分别是电子中微子、μ(缪)子中微子和τ(涛)子中微子。太阳的热核反应会释放出大量的电子中微子。
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”，它意味着目前的太阳活动理论或中微子理论至少有一个存在问题。
科学家们在加拿大安大略省萨德伯里的一个镍矿中建造了一台中微子探测器，称为“萨德伯里中微子观测站”(SNO)。这一观测站于1999年开始运转，第一阶段的测量工作已于不久前结束。
研究人员将新的数据与以往研究成果相结合，发现太阳释放出的电子中微子在旅途中有一部分转变成了其它类型的中微子，事实上太阳产生的中微子数目与目前太阳模型预言的非常吻合。
确定太阳产生的电子中微子会转变成其它类型的中微子，对在微观层面上全面理解宇宙有着重要意义。根据当代物理学的标准模型，这种形式的中微子类型转换是不会发生的。理论物理学家必须寻找更好的解释，来把这些新成果融合进去。科学家还说，这项新研究还表明中微子确实是有质量的。将新数据结合以往的研究，能够确定中微子质量的上限。尽管宇宙中有许多中微子，但中微子质量上限表明它们只占宇宙物质和能量总数的一小部分。
萨德伯里中微子观测站位于地下2000米处，体积相当于一座10层大楼。它使用1000吨超纯重水，通过观察中微子与重水发生反应变成质子的过程，来探测抵达地球的太阳电子中微子数目。由于中微子很难与其它粒子相互作用，因此该观测站平均每天只能捕捉到10个中微子的踪迹。

太阳中微子之谜
苗征
　　太阳的能源问题一直是困扰物理学家和天文学家的一个课题，后来英国著名的天文物理学家爱丁顿提出太阳里面的能量是来自核聚变。如果太阳的核心真的在进行着大规模的热核反应，那就理应产生大量的中微子。
　　为了证明太阳模型的正确性，科学家们设计了仪器去测量太阳中微子的实际数目。“捕捉”中微子难乎其难，为此科学家巧设“陷讲”。
　　设在美国南达科达州的“陷讲”，由化学家戴维斯主持，他们在地下深达1．5千米的金矿里，安装了一个大罐子，里面装有38万公升的四氯乙烯溶液，用它来俘获中微子。1968年，奇迹出现了，中微子探测器给出了信息。实测结果表明，实际的太阳中微子数目远远小于理论值，只有理论预言的1／3。大量的太阳中微子失踪了!这样太阳中微子之谜变成太阳中微子短缺之谜。
　　那么到底是谁错了?天文学家错了?太阳能量不是来自核聚变?还是物理学家关于中微子的理论错了?
　　后来物理学家改进了中微子的测量方法，日本科学家小柴昌俊就是其中之一。
　　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；然后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v射线。通过测量v射线的数量，科学家就可知道有多少中微子存在。小柴昌俊还利用位于日本神冈町地下的中微子探测装置探测到的一次遥远超新星爆发过程中释放出的中微子。
　　目前科学家一致认为太阳活动的理论模型并没有错误，太阳里能量的确是来自核聚变；而关于中微子的理论则需要修正：中微子是一种不带电的、但是有质量的(虽然质量极小)、穿透力极强的基本粒子。研究人员将新的数据与以往研究成果相结合，发现太阳释放出的电子中微子在旅途中有一部分转变成了其它类型的中微子，而我们目前的测量手段只能测电子中微子，这样就很好的解释了太阳中微子短缺之谜。
　　但是到目前为止关于中微子还有很多问题有待进一步研究，比如，中微子质量到底是多少，以及不同种类的中微子之间是怎么转化的。
　　由于中微子不容易和其他物质发生相互作用，所以最遥远宇宙中产生的中微子都可以在地球上探测到，这对于了解宇宙深层次的东西非常有帮助。
摘自《图形科普》
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中微子[1]是近年来科学界的热门话题之一，2001年加拿大萨德伯里中微子天文台（SNO）的观测结果和2002年SNO与日本KamLAND实验的结果，均证实中微子可以发生振荡，即中微子质量不为零。这在科学上具有重要意义，它要求修改粒子物理的标准模型，预示着存在超出标准模型的新物理，如轻子数不守恒、质子衰变等。因此，中微子物理的进展连续两年被美国的《科学》周刊等国内外媒体评为当年十大科技新闻。2002年由于在“探测宇宙中微子”上的贡献，美国化学家戴维斯(R.Davis,Jr.)与日本物理学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)获得诺贝尔物理学奖。
   由于中微子是最轻的粒子，是所有粒子衰变的最终产物，宇宙中积存了大量自大爆炸开始以来产生的中微子，它们可以构成宇宙中的热暗物质，对宇宙结构的形成有重要影响。中微子振荡中的CP (空间与电荷共轭反演)破缺可能对理解宇宙中的物质-反物质不对称现象起关键作用。中微子也具有相当的应用价值，如作为探针研究遥远星系或地球深处，已发展成为中微子天文学与中微子地质学。
   中微子及其基本性质
   1930年，泡利(W.Pauli)为了解释原子核?茁衰变时能量似乎不守恒的问题，提出了一个猜想，认为是一种不可探测的中性粒子带走了能量。这种粒子随后被费米（E.Fermi）叫做“中微子”，以区别于中子。虽然泡利的这个猜想只是以一封信的形式提出且从未正式发表文章，但由于费米β衰变理论的巨大成功，中微子很快被广泛接受。物理学家探测中微子的尝试在随后的二十多年中从未间断，但受条件限制，绝大部分测量是间接的。其中最重要的成果之一是由中国科学家王淦昌提出的实验方法，即从原子核K俘获过程中证明中微子的存在，该实验最后是由美国人艾伦（J.S. Allen）完成。
   1950年代，莱因斯(F.Reines)和考恩(C.Cowan)试图用质子反?茁衰变(?淄e+p→e++n）来直接探测中微子。他们计划用400公斤掺杂了氯化镉(CdCl2)的水作靶，测量正电子湮没而产生的两个0.511兆电子伏?酌光子，以及大约15微秒后中子被镉俘获后所产生的几个总能量为9.1兆电子伏的?酌光子。当时他们最大的问题是寻找所需强度的中微子源。莱因斯曾与费米讨论过利用原子弹爆炸后产生的中微子，但经过慎重考虑还是放弃了这个想法，最终采用了当时刚出现不久的反应堆。1956年，他们十分清楚地直接探测到了中微子，莱因斯因此获1995年诺贝尔奖。此后中微子实验研究得到很大发展。1960年代初，斯坦伯格(J.Steinberger)等发现存在两种中微子：电子中微子和?滋子中微子，斯坦伯格因此获得1988年诺贝尔奖。1990年，位于瑞士日内瓦欧洲核子中心的大型正负电子对撞机发现有且只有三种中微子：电子中微子（?淄e）、?滋子中微子（?淄?滋）和?子子中微子（?淄?子），分别对应于三代轻子：电子（e）、?滋子（?滋）和?子子（?子）。
   1950年代初，杨振宁等提出了弱相互作用中的V－A理论，假设中微子质量为零。V－A理论随后被电弱统一理论所继承，成为粒子物理标准模型的一部分。中微子质量是否绝对为零至关重要，它会影响轻子数守恒、质子衰变、宇宙中的热暗物质以及宇宙结构等，因此，中微子质量问题一直是粒子物理学家与天体物理学家共同关心的热点问题。但由于中微子几乎不与任何物质发生作用，很难被探测到，其质量就更难测量了。到目前为止，测量中微子质量的最好结果是由德国曼因兹(Mainze)大学的一个小组，通过测量氚的?茁衰变（3H→3He+e-+?淄e）能谱的最大端点而得到的。他们测得，在95%的置信度下中微子质量的平方小于2.2电子伏2。
   1960年代初，费米的学生、意大利物理学家蓬泰科尔沃(B.Pontecorvo)提出，如果中微子有质量且其质量本征态与弱作用本征态不简并，由量子力学波函数的叠加可推知，不同的中微子之间可发生振荡，即一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子。其在真空中的振荡(即一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子)的概率可写为：


   大 气 中 微 子
   中微子振荡的第二个实验证据即所谓“大气中微子反常”。主要由?仔衰变而来的大气中微子应满足：?淄?滋/?淄e≈２，即?滋子中微子数应约为电子中微子数的两倍。自1970年代以来，许多实验均发现这一比例接近于1(误差很大)。由小柴昌俊领导的神冈实验也发现了类似结果(误差稍小)。神冈实验并非首创，也未取得突破性成果，其实验的最初目的——寻找质子衰变更是至今尚无结果。小柴昌俊的贡献在于他锲而不舍，在证实了“太阳中微子丢失”和“大气中微子反常”后，又建了一个比原来的探测器大10倍，总重达5万吨的超级神冈(Super-Kamiokande)探测器。经过近二十年的不懈努力，终于在1998年，获得了激动人心的结果，即?淄?滋/?淄e≈1是由于?淄?滋消失了，且其消失的百分比随能量与飞行距离的关系与理论预言基本相符[3]。虽然其他解释还不能排除，但中微子振荡似乎是最自然，也是最可能的一种解释。这也是当年十大科技新闻之一，自此以后中微子振荡为越来越多的人所相信，圈内人士也开始期待小柴昌俊获诺贝尔奖。 
   由于中微子很难探测，历史上有关中微子振荡的实验结果经常真假难辨。如莱因斯和法国的Bugey实验分别在1979年和1984年先后“发现”反应堆中微子消失，即中微子振荡现象；苏联在1980年代也曾宣布由氚衰变测得中微子的绝对质量，这些结果随后被证明是错误的。目前人们对美国LSND实验所发现的加速器中微子振荡仍然存疑。而太阳中微子(电子中微子消失)与大气中微子(?滋子中微子消失)问题分别都有独立验证，因此结果是可信的。2002年诺贝尔物理学奖授予戴维斯和小柴昌俊，以表彰他们对天体物理学，特别是对“探测宇宙中微子的贡献”，这是因为虽然太阳与大气中微子问题都可以用中微子振荡来解释，但其他解释仍不能完全排除，所以诺贝尔奖委员会避免提及中微子振荡，尽管大家都明白这才是他们真正的贡献所在。
   反应堆中微子
   到目前为止，所有中微子振荡的实验证据均来源于大自然，因此中微子振荡在某种程度上依赖于人们对大自然的理解，如太阳模型、宇宙线在大气中的簇射过程等。所以从人工中微子源中探测到中微子振荡才是它的最终证明。候选的人工中微子源有两类，一是加速器，一是反应堆。1990年末期，日本的KEK实验室用12吉电子伏质子打靶产生中微子，并由超级神冈探测器探测，可惜由于超级神冈探测器的光电倍增管爆炸事故而未能获取足够的数据。虽然他们似乎看到中微子振荡的现象，但其统计显著性只有两倍均方误差，而一般物理发现均需3倍以上均方误差，即99.8%的统计显著性。
   反应堆中微子实验自1980年代初开始，已进行了好几代。最早的开创者是吴健雄的学生，美国加州理工学院的贝姆(F.Boehm)教授。自ILL实验开始，发展至Chooz和Palo Verde实验，这些实验的探测原理与方法与莱因斯所用的基本一样，只是靶由水换成了液体闪烁体，由于事例率与距离平方成反比，与靶核数成正比，探测器与反应堆的距离也由10米增至1000米，重量也由100公斤增至10吨。实验的方法是观测反应堆由裂变过程所产生的电子反中微子数，并与预期的中微子数比较，如果发现中微子消失现象，则说明反应堆产生的电子反中微子发生振荡，变成了另一种中微子而没有被探测到。由于过去20年的不懈努力，人们对反应堆所产生的电子反中微子谱了解得很清楚，理论计算与实验比较只有3%的误差。
   1994年，当超级神冈决定立项的时侯，日本东北大学的铃木厚人（Atsuto Suzuki）教授就在思考神冈所在山洞的出路。到1996年他完成了一个非常大胆的KamLAND实验计划，即建一个世界上最大的液体闪烁探测器，包括周围由水构成的屏蔽层，总共5000吨液体，比当时正在建造中的Palo Verde探测器大了100倍！它可以测量周围180千米开外日本和南韩20多个核电站反应堆的中微子，这些核电站的发电量占全世界核电站的1/5左右。这个实验对?驻m2的灵敏度将提高100倍，与太阳中微子振荡的大角度混合解刚好一致，因此可能对太阳中微子问题给出最终回答。随后美、中等国共十几个单位近100位物理学家（包括笔者在内）相继参加。其探测目标不仅包括反应堆中微子，也包括太阳中微子、地质中微子和超新星中微子等[4]。自1997年开始建造，KamLAND探测器于2001年全面建成。合作组在2002年12月6日的文章中[5]，报告了引起全球媒体和圈内人士的关注，并被评为2002年十大科技新闻的重要结果：约40%的反应堆中微子消失了，或者说振荡为另一种中微子而没有被探测到。由于中微子是反应堆与太阳唯一共同的东西，因此中微子消失现象只能用中微子本身的性质来解释。并且，太阳中微子振荡的“大角度混合解”可以定量解释所有观测到的数据。因此可以肯定地说，太阳中微子发生了振荡，巴卡尔的标准太阳模型是正确的，中微子是有质量的。至此中微子振荡得到最终的确认。


   中 微 子 应 用
   虽然基础研究一般不考虑应用，但由于中微子的特殊性质，它常常成为科幻作品的主角，如前些年曾有过中微子通讯的说法。固然由于中微子极难探测而限制了其应用，但中微子不带电，不会像带电粒子一样被物质阻挡和磁场偏转，也不会像光子和带电粒子一样，与宇宙背景辐射相互作用。因此用中微子作探针，可以直达宇宙深处或地心深处，在天文与地质方面有广泛用途。
   迄今为止，天文学研究对象基本上是天体辐射的电磁波。最早利用的是可见光，以后每一个新波段的引进均会给天文学界带来极大的震撼。中微子携带天体的许多信息，也将极大地推动天文学的发展。自戴维斯1960年代末首次探测到太阳中微子以来，中微子天文学对太阳物理、超新星、?酌暴、宇宙线起源与加速机制、宇宙起源等方面的研究均起到关键作用。目前国际上中微子天文学尚处在起步阶段，多个大型装置正在兴建或刚刚建成，如美国在南极冰下所建的AMANDA，以及尚待建造的ICECUBE、希腊在海底深处所建的NESTOR、法国在海底深处所建的ANTARES等，这些探测器均有一特点，是利用冰或海水作为探测介质，以获得巨大质量，这是由中微子极难探测的特性所决定的。可以相信在不远的将来，这些实验一定会取得丰硕的成果。
   中微子地质学可以说是自2002年KamLAND实验开始的。地球的地壳、地幔，甚至可能在地心都含有大量的铀与钍元素，其含量及二者之间的比例反映了地球及行星的形成与演化的历史与规律，对它们的测量是研究地质学和探索地球深处奥秘的一个重要，有时也是唯一的手段。铀和钍均可通过级联衰变产生中微子，其能量在2.6兆电子伏以下。KamLAND实验在前述反应堆中微子实验中，观测到9个地球本身发出的地质中微子，5个来源于铀，4个来源于钍。虽然这一数据还不足以说明太多地质学问题，但这是人类首次探测到地质中微子。再比如，地球磁场随时间变化，甚至南北极倒转是地质学上一个令人困惑的问题。过去一般认为这是由于地心含有铁质流体的缘故。最新的理论认为这是由于地心含有高密度铀元素缘故，它们构成天然核反应堆，其启动和关闭会造成地磁场的变化。这个理论即可由中微子来验证。再如，中微子振荡概率与其通过的物质密度有关，为完整测量其振荡概率，需进行长基线实验，即加速器中微子源与探测器直线相距2000千米以上。这类实验目前国际上已在筹划，如果成功则可以得知中微子的振荡几率，再进一步则可通过此方法测量中微子通过地段的物质密度。如果全球共有三四个源和探测器，通过不同路径组合，则可分别获得地球不同深度处，如地壳、地幔甚至地心的密度。这也许是获得地球内部信息的唯一方法。也有人提出用超新星中微子给地球作全息照像。可以肯定的是，与中微子天文学一样，中微子地质学将会得到飞速发展。
   中微子的另一个应用即核反应堆的安全监测。核电站的燃料可生产出制造原子弹的原料——钚，因此国际原子能机构必须对无核国家的核燃料进行安全监测。过去一般方法为摄像、贴标签、人员现场视察等，不能做到实时和远程监控。由于反应堆在运行过程中会释放出大量中微子，通过建造一个中微子探测器，可以实时监测反应堆的运行，防止有人偷换燃料[6]。该方法目前已在实验阶段，如果成功，可以很快投入实用。也许这是有关中微子的第一个专利。
   中微子研究需解决的问题
   中微子研究是当前粒子物理、天体物理和宇宙学研究的前沿热点，近年来中微子物理研究的一系列重大成果预示着粒子物理研究的新突破。中微子物理正处于一个大发展时期，它对天文学、地质学等其他学科的应用价值正在被越来越多的人们所认识。当前需要解决的主要有以下两个问题。