破解中微子消失之谜

我们现在重点考察所谓中微子振荡。中微子振荡的发现与太阳中微子失窃案密切相关。宇宙中有大量暗物质存在已是科学界的共识。人们认为暗物质有两类：热暗物质，相应粒子速度接近光速，决定宇宙中超星系团、宇宙长城此类大尺度结构；冷暗物质，相应粒子速度大大低于光速，决定星系、星系团等小尺度结构。

人们已找到若干暗物质：宇宙尘埃（氢分子、氨分子和有机分子等）、黑洞、变暗的死星系、微波辐射等，但是其总量远远少于预期值。还有大部分迷失的质量到哪里去了呢？

在人们漫漫的追索中，逐渐把暗物质的主要候选者之一，集中到中微子身上就是十分自然了。中微子数量很大，而且质量尚在最后敲定中，只要有几个电子伏，迷失的质量就全部有着落了。谁想得到，决定宇宙命运的很可能就是这些来无影、去无踪的幽灵粒子——中微子呢？实际上关于中微子可能具有静质量的喧嚣，早在科学界折腾20余年了。

事情得从1968年戴维斯探测太阳飞向地球的中微子谈起，他发现从太阳飞向地球的中微子比预期值少许多，观察值只有理论值的33%～50%。从此，这件太阳风中微子的失窃案就在物理学界议论开了。

我们知道，太阳是地球生命的源泉。到达地球阳光的热辐射功率大约是1.7×1014千瓦，其中有30%被大气层反射到太空。余下的1/3被大气吸收，2/3被陆地和海洋吸收。迄今为止，我们人类利用的能源，主要还是古代和现代的太阳能。不要忘记，到达地球的辐射能，只有太阳总辐射量的4.5×10﹣10。

太阳能，造福我们的普罗米修斯天火从何而来？烧煤炭？如此巨大能量，一秒钟要烧1.3×1016吨煤炭！即令太阳全部由煤炭组成，至多也只维持几千年罢了。可是太阳已存在了50亿年，它在不断地辐射光和热，不断地散发生命的甘露。

普罗米修斯盗窃“天火”

1937年，魏莎克尔找到“天火”之源，就是质子与质子的核聚变。通俗地说，太阳在不断地进行核爆炸。据估计，1年核聚变损耗的氢质量约18× 1012吨，约占太阳质量的8.2× 10﹣11。在核聚中，简单地说，当4个质子聚合成为氦核时，其中两个转变为中子，每个转变过程中都会释放一个中微子。

在太阳核聚变中有大量中微子向各个方向释放出来，估计每秒钟每平方厘米应有6.6 ×1010个中微子穿过。估计方法是采用标准太阳模型，即假定太阳内部密度是每立方厘米150克、温度1.5×107K，并且含有等量的氢与氦。

我们已经知道，捕捉中微子是十分困难的事。一个中微子穿过1000个地球，平均有可能与其中1个原子核碰撞1次。即令宇宙全部由实心铅所构成，20个中微子从宇宙的这一边射进去，至少有19个中微子可以无阻碍地跑出来，最多不过1个中微子被其中的核挡住。好在人们目前已有许多办法，如用放射化学方法、电子学方法等探测它，由于其数目庞大，总有“落网”的中微子捕捉归案。

以超级神冈协作组为例，实验是在日本中西部的神冈矿下1000米深处，主要观测仪器契仑柯夫探测器是由5万吨纯水和1.3万多个光电倍增管构成。其庞大与复杂可以想见。

戴维斯的工作经过反复核查，学术界的看法是肯定的。这样一来，中微子到底在何处丢失的呢？这不是小事情。本身的性质是什么？我们所理解的量子力学和粒子物理学的本质是什么？中微子失踪问题当时被认为是最重大的天文学之谜。可笑的是，有很多狂想家竟然表示，他们已经有解决失踪中微子问题的方法，因为有外星人或爱因斯坦的灵魂告诉他们了。难道是太阳标准模型不可靠，估计不正确？否！美国高等研究院的巴卡尔在1997年撰文认为标准模型基本是可靠的，倒是许多修正方案有问题。难道是中微子本身还有什么不为我们所知的神奇功能，会“摇头一变”，悄悄失踪？

诚然，中微子的确有变幻莫测的神奇本领。

许多科学家相信，“失窃案”的谜底就在中微子三代之间，它们在不断地改变身份，忽而ve忽而vμ，而后又是v，周而复始。这就是意大利科学家蓬蒂科尔沃1967年提出的中微子振荡理论。蓬氏非等闲之辈，乃中微子教父科学大师费米的高足，他是根据氩原子粒子中K介子的振荡现象提出这一理论。戴维斯测量中微子的方法，就是他在1946年提出的。1964年，他利用中微子与37CI（氯37）的反应捕捉到中微子，并记录到它。大概每1.8×1015氯原子可以捕捉到1个中微子。戴氏利用同样的方法测量太阳中微子，实验进行49次，为时4年，结果表明，按太阳中微子的标准模型，应该接受到的太阳中微子中，有2/3的太阳中微子不翼而飞。

按蓬氏理论很简单就可解释中微子的失踪问题。由于中微子振荡，我们记录的电子型中微子ve，在到达地球的8分钟内，有一部分变成vμ，另一部分变为vΤ。戴维斯测量的只是ve，自然比预测的少。“谜底”原来就这么简单。蓬氏继承其导师费米的工作，关注中微子的命运，探索太阳中微子的失踪问题，他没有辜负费米的教导，也成了一段科学佳话。

当然，说来容易，问题的最终解决还是经历了漫长的探索，从1957年开始，经过数十年的努力，科学家发展了蓬氏理论，称为真空振荡的现代理论。1985年，俄国物理学家米克耶夫和斯米诺夫注意到中微子穿过物质时，中微子的味振荡会产生修正，这就是所谓MSW效应。其中林肯·沃尔芬斯坦早在1978年就注意到类似的现象。这个效应在所谓中微子失踪问题上起着关键作用。太阳的核聚变本质上都发生在太阳芯中的稠密物质，在核聚变中产生的中微子在到达地球的检测器的途中，要经历太阳物质、地球大气层和日地空间物质，就会发生这种效应。

1998年，日本的超级神冈实验首次证实：太阳中微子确实在飞行中变成了3种中微子的混合型——中微子是可以变身的。2001年，加拿大的太阳中微子流测量实验（SNO），实验进一步证实，“丢失”的太阳中微子变成了其他种类的中微子，而三种中微子的总数并没有减少。于是“太阳中微子消失之谜”在理论上被解开了。

但是真正解决太阳中微子失踪问题，功劳应该属于加拿大科学家。加拿大萨德伯里中微子观测站观测到了三种中微子形态。结果观测到的中微子数量与原来预测的一样。原来科学家说太阳中微子有2/3失踪，只是由于他们用的探测器观察中微子，只能探测到一种中微子，也就是太阳释放的那种，就是说只有预测数的1/3被我们观察到。加拿大科学家发明了一种新观测法，可以观测到所有中微子，包括原来观察不到的其他2/3中微子。

2002年4月20日，在美国物理学会和美国天文学会联合举办的学术会议上，加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家宣布，已发现了测量中微子的直接方法，为揭示“太阳中微子失踪之谜”找到了直接证据。

为解开“太阳中微子失踪之谜”，1999年他们宣布来自加拿大、美国和英国的科学家在加拿大萨德伯里附近的一座镍矿中建成了萨德伯里中微子观测站。这座观测站的观测设备位于地下2072米，有10层楼高，其中包括一个直径12米、内有1000吨重水并安装了1万多个传感器的球型容器。

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；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γ射线。因为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。

加拿大萨德伯里中微子观测站

科学家称，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。

该成果还又一次证实了中微子具有质量，对修正物理学中的标准模型和认识宇宙中的暗物质都具有重大价值。