太陽(yáng)中微子有質(zhì)量

《科學(xué)技術(shù)日?qǐng)?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(guó)科學(xué)家在21世紀(jì)的卡爾加里舉行了國(guó)際中微子科學(xué)研討會(huì)。展覽總結(jié)了太陽(yáng)中微子的質(zhì)量理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并對(duì)中微子的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估。7月17日,美、日、韓3國(guó)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(yáng)中微子失蹤案”,然后進(jìn)一步介紹與中微子質(zhì)量問(wèn)題密切相關(guān)的“中微子振蕩”問(wèn)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(wèn)題”。一、太陽(yáng)中微子的概念我們的太陽(yáng)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(wàn)倍,直徑為地球的107倍。其平均密度是水的一半。不過(guò)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(yáng)表面上,它的重力也要比地球表面重力強(qiáng)30倍),使得太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)度左右。我們地球上的生命都離不開(kāi)太陽(yáng)的光和熱,從太陽(yáng)向太空發(fā)出的光和熱的速率(稱為太陽(yáng)光度)為每秒3.8×1026焦耳。太陽(yáng)巨大的熱和光來(lái)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(yáng)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(guò)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(guò)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(duì)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(yáng)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(kāi)太陽(yáng)。太陽(yáng)內(nèi)部每秒鐘都有7750萬(wàn)噸的氫在這種熱核爆炸過(guò)程中轉(zhuǎn)化為氦,正是由于這種熱核燃燒維持著太陽(yáng)巨大的光度。太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程實(shí)際上是通過(guò)一系列核反應(yīng)來(lái)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(guò)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(yáng)中微子流量的理論預(yù)言值可以看出,從太陽(yáng)發(fā)射出來(lái)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(yáng)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(lái)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(cè)到從太陽(yáng)射來(lái)的各種中微子,并且測(cè)定它們的流量。二、2中微子的探測(cè)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(cè)器來(lái)探測(cè)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(guò)電子俘獲過(guò)程再還原為37Cl(同時(shí)再放出一個(gè)中微子)。不過(guò)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(lái),然后測(cè)量它的放射性。通過(guò)這種方法可以記錄打在探測(cè)器上入射中微子的數(shù)目。這種探測(cè)中微子的方法稱為放射性化學(xué)方法。后來(lái)人們又提出了許多與37Cl→37Ar類(lèi)似的放射性化學(xué)方法來(lái)探測(cè)太陽(yáng)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(lái)探測(cè)太陽(yáng)中微子的鎵探測(cè)器。氯探測(cè)器只能探測(cè)中能和高能中微子,探測(cè)不到低能中微子。鎵探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于它可以同時(shí)探測(cè)到低、中、高能3種中微子。不過(guò),由于鎵是價(jià)格極其昂貴的稀有金屬,難以大量收集它來(lái)建造中微子探測(cè)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(lái)制造中微子探測(cè)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(cè)器。氯和鎵制作的探測(cè)器只能用來(lái)探測(cè)中微子,至于反中微子,可以利用我們后面要介紹的水探測(cè)器來(lái)探測(cè)。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(cè)強(qiáng)大的太陽(yáng)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(kāi)始籌建國(guó)際上第一個(gè)氯探測(cè)器來(lái)探測(cè)太陽(yáng)中微子,測(cè)定它的流量。其主要目的是檢驗(yàn)上述太陽(yáng)核心熱核產(chǎn)能理論是否正確。通過(guò)中微子探測(cè),人們可以直接“看”到太陽(yáng)內(nèi)部的熱核聚變反應(yīng)。人們通過(guò)太陽(yáng)中微子流量和能譜(指流量隨其中微子能量的分布)的測(cè)定來(lái)推斷太陽(yáng)核心的溫度和化學(xué)成分。在美國(guó)南達(dá)科他州Homestake的地下廢礦井中,采用455m3的C2Cl4作為探測(cè)材料建立了一個(gè)大型的中微子探測(cè)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(yáng)中微子單位(以符號(hào)SNU表示)是每秒鐘太陽(yáng)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(cè)裝置可以探測(cè)到的太陽(yáng)中微子事件數(shù)為(7.9±2.6)SNU。1968年Davis等人公布了他們對(duì)太陽(yáng)中微子首批探測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)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(cè)的平均結(jié)果為(2.56±0.23)SNU,相差不大)。即實(shí)測(cè)結(jié)果僅有理論值的1/3,2/3的太陽(yáng)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(guó)際科學(xué)界著名的太陽(yáng)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(cè)理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)探測(cè)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(cè)器進(jìn)一步探測(cè)太陽(yáng)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(yáng)(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(duì)于中微子性質(zhì)的了解是否正確。這類(lèi)探測(cè)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(cè)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(jué)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(jué)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(shuō),中微子探測(cè)器只能探測(cè)能量高于探測(cè)器能閾值的中微子。上述氯探測(cè)器的能閾值為0.814MeV。從太陽(yáng)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(cè)器的反應(yīng)。而太陽(yáng)中微子中的具有能量為0.86MeV的中能中微子能量剛好超過(guò)這個(gè)能閾值。當(dāng)然,太陽(yáng)的高能中微子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它。因此,Davis等人建造的上述氯探測(cè)器并不能探測(cè)太陽(yáng)中微子中數(shù)量最多的太陽(yáng)低能中微子。它對(duì)只有低能中微子流量三十萬(wàn)分之一的高能中微子卻非常敏感。氯探測(cè)器上記錄中微子事件的77%是來(lái)自高能(8B)中微子,15%來(lái)自中能(7Be)中微子。還有8%來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部更為次要的核反應(yīng)過(guò)程(碳、氮、氧循環(huán))產(chǎn)生的中微子,簡(jiǎn)稱為CNO中微子,屬于中能中微子。為了探測(cè)流量最多的太陽(yáng)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(cè)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(guó)加拿大合作建造GNO裝置等鎵探測(cè)器來(lái)探測(cè)中微子。自1995年以來(lái)這些中微子探測(cè)器就開(kāi)始陸續(xù)投入持續(xù)不斷的探測(cè)工作。按照太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言,在這種鎵探測(cè)器上可以探測(cè)到的太陽(yáng)中微子事件數(shù)應(yīng)為124SNU。其中,太陽(yáng)低能(pp)中微子在鎵探測(cè)器的貢獻(xiàn)約為74SNU,高能(8B)中微子在鎵探測(cè)器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為16SNU,7Be中微子和CNO中微子在鎵探測(cè)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(cè)器上實(shí)際探測(cè)到的中微子事件數(shù)為(74±7)SNU,而在SAGE的鎵探測(cè)器上探測(cè)的中微子事件數(shù)為(75±8)SNU。不同的鎵探測(cè)器上的測(cè)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(cè)器只能探測(cè)中微子,不能探測(cè)反中微子。為了探測(cè)來(lái)自宇宙線中的中微子和反中微子,日本在神岡,美國(guó)IMB(一個(gè)科學(xué)研究合作組的簡(jiǎn)稱)分別建造了可以直接探測(cè)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(cè)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(guò)物質(zhì)中的光速(低于真空中的光速)。速度超過(guò)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(cè)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(cè)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(guó)IMB的這兩個(gè)中微子探測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)。但遺憾的是,日本神岡探測(cè)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(guó)日本的這種失誤給天文學(xué)家研究超新星爆發(fā)帶來(lái)了很大的不確定性。不過(guò),根據(jù)當(dāng)時(shí)探測(cè)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(cè)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(wàn)光年。我們今天觀測(cè)到的光和中微子,實(shí)際上是在170萬(wàn)年以前發(fā)出的,也就是說(shuō),這顆超新星實(shí)際上是在170萬(wàn)年以前爆發(fā)的。這種水切連柯夫中微子探測(cè)器的探測(cè)能閾值相當(dāng)高。最初建造的探測(cè)器能閾值為9MeV。神岡中微子探測(cè)器擴(kuò)建后,又新建規(guī)模更大的水切連柯夫中微子探測(cè)器,以提高探測(cè)效率和降低探測(cè)能閾值。例如,被稱為“超神岡”的中微子探測(cè)器采用了5萬(wàn)噸純水,使探測(cè)效率提高了30倍,并且使探測(cè)能閾值下降到6.5MeV。由于神岡和超神岡中微子探測(cè)器的能閾值太高,太陽(yáng)低能和中能中微子不能引起它們反應(yīng),因而這類(lèi)探測(cè)器探測(cè)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(cè)器分別從1993年底和1996年10月開(kāi)始正式對(duì)太陽(yáng)中微子進(jìn)行探測(cè)。幾年來(lái)持續(xù)不斷的探測(cè)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(lái)自太陽(yáng)方向,而且,它們的能譜同太陽(yáng)模型理論預(yù)言的能譜符合得很好。其實(shí),不同的太陽(yáng)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(guò),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(cè)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(cè)器累積的實(shí)測(cè)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(lèi)型(氯、鎵和水切連柯夫)的中微子探測(cè)器實(shí)測(cè)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(duì)太陽(yáng)中微子的認(rèn)識(shí)肯定有錯(cuò)誤。錯(cuò)誤來(lái)自何方?是天文學(xué)家的太陽(yáng)“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(wèn)題之前,我們還應(yīng)當(dāng)了解近年來(lái)有關(guān)8B高能中微子探測(cè)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(cè)器探測(cè)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(yáng)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(kāi)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(shuō),由于探測(cè)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(méi)有被探測(cè)器感受因而沒(méi)有記錄下來(lái)。在神岡和超神岡探測(cè)器上探測(cè)記錄的太陽(yáng)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(duì)美國(guó)Homestake的氯探測(cè)器以及在位于意大利、蘇聯(lián)、加拿大等地的鎵探測(cè)器起反應(yīng)。也就是說(shuō),同樣的8B高能中微子流也必定分別被氯和鎵探測(cè)器所記錄。通過(guò)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(cè)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(guò)了30年來(lái)Homestake的氯探測(cè)器測(cè)定的平均反應(yīng)率。那末,7Be和CNO等中能中微子對(duì)氯探測(cè)器實(shí)驗(yàn)不僅沒(méi)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(duì)氯探測(cè)器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為總反應(yīng)率的1/4。類(lèi)似地,通過(guò)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(cè)器上的貢獻(xiàn)應(yīng)為7SNU。它的貢獻(xiàn)加上太陽(yáng)pp低能中微子流對(duì)這類(lèi)鎵探測(cè)器反應(yīng)的貢獻(xiàn)之和超過(guò)了80SNU,已經(jīng)超過(guò)了鎵探測(cè)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(cè)結(jié)果幾乎沒(méi)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(shuō),從現(xiàn)有的太陽(yáng)中微子探測(cè)器聯(lián)合探測(cè)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(shuō)它們幾乎完全失蹤了。這是當(dāng)今最嚴(yán)重的太陽(yáng)中微子問(wèn)題。四、太陽(yáng)中微子理論與實(shí)驗(yàn)探測(cè)的比較1968年當(dāng)Davis等人公布他們的氯探測(cè)器實(shí)測(cè)結(jié)果僅有理論值的1/3,2/3的太陽(yáng)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(lái),各種五花八門(mén)的理論與解釋都提出來(lái)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(yáng)模型。例如,有人甚至提出,太陽(yáng)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)“