互动科普

破解太阳中微子之谜

Arthur B. Mc Donald，Joshua R. Klein和David L. Wark

在两千米深的地下，建一座10层楼高的探测器来研究太阳，似乎有点不可思议。然而这却是解开太阳内部一个物理过程的关键所在，这一问题困扰了天文学家数十年之久。早在1920年，英国天文学家阿瑟·爱丁顿就提出太阳的能量源于核聚变，尽管研究人员在1960年代做了大量研究来证实这一设想的关键细节，但他们的工作遇到了一个严重障碍。太阳的核聚变反应释放出一种幽灵般的特殊副产物，称为中微子，但实验探测到的太阳中微子数量只有理论预期值的一小部分。直到2002年，位于加拿大安大略省地底的萨德伯里中微子观测站（SNO）取得了最新成果，物理学家才终于破解了这道谜题，完全证实了爱丁顿的设想。

与所有其他研究太阳的地底实验相仿，SNO的首要目标是探测太阳核心发射出来的大量中微子，但SNO借助了重水，这一点与过去30年来的其他大多数实验不同。重水与普通水的区别在于，它分子中的氢原子多了一个中子（这种氢称为氘）。正是这个多出来的中子，使得SNO能够通过一种前所未

有的方法来观测太阳中微子：它可以计数出所有3种类型的中微子。SNO凭借这一优势证明，先前各项实验所观测到的太阳中微子之所以“缺斤少两”，既不是测量不准确，也不是对太阳的认识有误，而是中微子本身具有一种新近才被发现得特殊性质。

带有讽刺意味的是，我们一方面证实了最好的太阳理论，另一方面却首次暴露了描述物质基本组成和行为的最好理论——粒子物理学标准模型的缺陷。所以我们现在对太阳运行机制的认识，要强过对微观世界机制的认识。

太阳中微子问题

美国宾州大学的雷蒙德·戴维斯及其合作者，1960年代中期做了第一个太阳中微子实验，旨在证明太阳能量的核聚变理论，同时开辟了一个利用中微子来了解太阳的新领域。实验地点在美国南达科他州利德镇附近的Homestake金矿，采用放射化学法来探测中微子。探测器盛有615吨液态四氯乙烯（一种干洗剂），中微子会使液体中的氯原子变成氩原子。理论上应当每天观测到一个通过这种反应产生的氩原子，然而实际上戴维斯却是每2.5天才观

测到一个氩原子（2002年Davis由于在中微子物理学方面的开创性研究，与东京大学的小柴昌俊一起荣获诺贝尔物理学奖。）自那以后的30余年间，研究人员又对太阳中微子进行了一系列的实验观测，尽管使用了不同的技术，但实验结果却大同小异：达到地球的太阳中微子数量始终远低于理论预测值，低的只有预测值的三分之一，高的也只有预测值的五分之三，具体取决于中微子的数量。由于不清楚预测值和实测值为什么会有这么大的差异，物理学家只好暂时放弃通过观测中微子来研究太阳核心。

在实验专家继续进行中微子实验时，理论家也在忙着改进观测太阳中微子产生速率的模型。这些理论模型相当复杂，但所用的假设只有几条，包括太阳的能量来自核反应，而核反应会改变元素的丰度；能量形成一个向外的压力，它与向内的引力相平衡；能量是通过光子和对流传递的。改进后模型

的中微子预测值依然超过测量值，但它的其他预测（如太阳表面的日震谱）则与观测结果十分吻合。

这个预测值与测量值之间令人费解的差异，后来被称为“太阳中微子问题”。许多物理学家认为问题出在中微子的测量上，还有人认为中微子产率的计算原本就存在许多困难，但现在又出现了第三种观点，尽管它有些离经叛道，却逐渐被人看好。粒子物理的标准模型认为有3类完全不同的无质量中微子：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。太阳中心的核聚变反应只能产生电子中微子，所以戴维斯以及其他类似实验只设计来探测这类中微子；以太阳中微子的能量而言，只有电子中微子能够使氯原子转变成氩原子。但是，如果标准模型并不完整，而且这3类中微子并非完全不同，而是呈现某种形式的混合，那么来自太阳的电子中微子就可能转变为两类中微子，从而无法探测到。

纵观导致中微子发生类型转变的各种机制，最受重视的是所谓“中微子振荡”。这一模型认为，中微子的3种类型电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，是由另外三种不同质量的中微子状态（分别表示为状态1、状态2和状态3）混合而成的。例如，电子中微子可能是状态1和状态2的一种组合物，而μ子中微子则可能是另外两个状态的一种组合物。理论预测中微子从太阳到地球的途中，这种组合物会在不同的类型间振荡。

1998年，日本的超级神冈实验团队找到了证明中微子振荡的有力证据。他们发现，宇宙射线在地球大气上层所产生的μ子中微子会消失踪迹，而消失的几率与它产生后所穿行的距离有关。中微子振荡可以很成功地解释这种消失现象。在这个例子中，μ子中微子可能变成了τ子中微子。在宇宙射线的能量范围内，超级神冈探测器可以轻而易举地探测到μ子中微子，却不容易探测到τ子中微子[参见本刊1999年11月号《探测有质量的中微子》一文]。

太阳中微子的短缺也许可以用类似的过程来解释。一种说法是，中微子在从太阳到地球的8分钟路途中会不断地振荡。而另一种说法是，中微子在太阳内部的头两秒期间振荡将特别强烈，原因是不同类型的中微子与物质交互作用的方式有所不同。每一种说法都有其特定的中微子参数范围，包括质量

差及不同类型之间的混合程度等。尽管有超级神冈以及其他一些实验的证据，中微子还是有可能通过其他非振荡过程而消失。直到2001年，科学家仍然没有找到太阳中微子振荡的直接证据，因为还没有探测到改变身份后的太阳中微子。

重水捕捉中微子

设计萨德伯里中微子观测站(SNO)的目的，就是用来寻找中微子振荡的直接证据。它有1000吨重水，因为中微子与重水有几种不同形式的相互作用。其中一种相互作用可以用来计数电子中微子，而其余的则可计数所有的中微子而不加区别。如果到达地球的太阳中微子全部是电子中微子(也就是没有发生不同类型之间的转化)，则所有的中微子数就等于电子中微子数。反之，如果所有中微子数远大于电子中微子数，那就证明来自太阳的中微子发生了类型的转变。

SNO之所以既能单独计数电子中微子，又能计数所有中微子，关键在于重水中的氘原子核。氘核的中子能产生两种独立的中微子反应：中微子吸收反应和氘核分裂反应。前者是氘核的中子吸收一个电子中微子并释出一个电子，后者是氘核分裂后释出中子。只有电子中微子才会发生中微子吸收反应，但所有的中微子都可以分裂氘核。SNO还探测到了第3种反应，即中微子散射电子的反应。这个反应也可以用来计数除电子中微子以外的中微子，但对于μ子中微子和τ子中微子来说，散射反应比氘核分裂反应更难发生。

SNO并非使用重水来探测中微子的开山鼻祖。在1960年代，美国凯斯西部保留地大学的T. J. Jenkins与F. W. Dix早就尝试用重水来观测太阳中微子。他们在地面上安置了2000公升的重水，然而中微子的信号被宇宙射线效应掩盖掉了。1984年，美国加州大学欧文分校的Herb Chen建议把加拿大CANDU核反应堆的1000吨重水运到INCO公司在萨德伯里的Creighton镍矿矿井下面。这座矿井很深，可以明确测量太阳中微子引起的中微子吸收和氘核分裂两种反应。

在Herb Chen的建议下，SNO科研合作项目得以上马，进而建立了SNO中微子探测器。探测器的1000吨重水装在直径12米的透明丙烯酸容器中，

监视重水的是超过9500根光电倍增管，它们安装在一个直径18米的网格球体上。每根光电管都能探测出单个的光子。研究人员在地表以下两公里深处的岩石中挖了一个大洞，灌满超纯的普通水，上述的整体结构就浸在这些水里面。

中微子中途变身

研究人员能够在地底下观测到中微子，是因为中微子与物质的相互作用极其微弱。在白天，中微子可以轻易穿过厚达两公里的岩石层而直抵SNO。在夜里，SNO随地球转到了另一侧，而中微子仍可以穿过数千千米的地球到达SNO。从太阳天体物理学的角度来看，这样微弱的相互作用是中微子很有趣的性质。太阳中心产生的能量，大多需要经过数百万年的时间才能到达太阳表面，然后以阳光的形式释放出去。而中微子只需要两秒钟的时间，就可以离开太阳直奔地球而来。

既然连整个的太阳或地球都无法阻挡中微子，试图用只有1000吨的探测器来捕获它们，自然是一个严峻挑战。不过，尽管绝大多数的中微子会穿膛而过，在极端罕见的情况下，也会有中微子(完全凭几率)与电子或原子核发生碰撞，产生的能量仍足以让我们观测得到。只要中微子的数量足够多，就可以克服碰撞几率小的缺陷。幸运的是，太阳产生的中微子多得惊人，地球表面每平方厘米每秒会通过500万个高能太阳中微子。在SNO的1000吨重水中，每天会发生大约10起中微子碰撞事件(相互作用)。发生在SNO内的3种中微子反应全都会产生高能电子，我们可以探测到这些高能电子发出的切仑科夫辐射(高速粒子发出的类似激波的光锥)。

不过，研究人员还必须把这少量的中微子事件与其他粒子产生的切仑科夫辐射区别开来。尤其是地球高层大气不断产生的宇宙射线μ子中微子，它们进入探测器后所产生的大量切仑科夫辐射足以照亮每一根光电倍增管。幸亏地面与SNO之间的数公里岩石，会将大量的宇宙射线μ子降低到每小时仅剩3个进入SNO。虽然每小时3个还是要比每天10起的中微子事件多很多，但是研究人员根据这些子在探测器外围与普通水所产生的切仑科夫辐射，可以轻易地将它们与中微子事件区别开来。

还有一个更为棘手的假中微子信号，就是探测器内材料本身的放射性。探测器内的所有东西，从重水、丙烯酸容器，到光电倍增管的玻璃与钢铁以及支撑结构，都含有少量的天然放射性元素；矿井内的空气也同样含有放射性气体氡。每当这些放射性元素中的一个原子核在SNO探测器内衰变，就会释放出高能电子或伽玛射线，最后会产生类似中微子信号的切仑科夫辐射。因此，SNO探测器所使用的水与其他材料，都经过特别净化，除去了大部分放射性杂质，或者直接选择天然纯净物质。但即使放射性元素的含量仅有十亿分之几，它所产生的假信号也足以掩盖真实的中微子信号。

因此SNO面临的任务非常复杂，它必须计数中微子事件，确定3种中微子反应的个别数目是多少，同时要估计有多少貌似中微子的反应是由其他原因(例如放射性杂质)引起的。即使每一步分析的误差只有百分之几，也会使SNO关于电子中微子通量与总中微子通量的比值变得不具意义。从1999年l1月到2001年5月，SNO探测器累计运行306天，记录了将近5亿个事件。把数据筛选后去伪存真，可能是中微子事件的仅剩下2928个。

SNO无法有把握地确定某一个可能的中微子事件到底来自于哪一个反应。如26页所示的典型反应可能来自中微子吸收，也可能来自氘核分裂。幸运的是，在我们考察了众多事件之后，发现不同反应之间仍有区别。例如，重水中的氘核分裂反应总是释放出相同能量的伽玛射线，而中微子吸收反应和电子散射反应所产生的电子，则有较宽的能量分布。类似地，电子散射所产生的电子，运动方向总是背离太阳，而氘核分裂产生的切仑科夫辐射可以指向任何方向。最后，各反应发生的地点也有差异，例如电子散射在内层的重水和外层的轻水中都很容易发生，但其他反应则不然。洞悉这些细节之后，SNO的研究人员便能够通过统计确定各个观测到的事件究竟属于哪一种反应。

要了解这些事实，必须先经过测量，而这些测量本身就是完整的原子核实验。为了确定如何用切仑科夫辐射测定，研究人员把已知能量的放射源放入到中微子探测器内；为了测定切伦科夫辐射如何穿过或反射探测器内的各种物质（水、丙烯酸、光电倍增管），使用了可变波长的激光源，包括使用专为SNO设计的新技术进行水的放射性测量。

经过统计分析之后，最终获得的SNO数据组是：氘核分裂有576个事件，中微子吸收有1967个事件，电子散射有263个事件，放射性和其他背景事件则有122个。从这些事件的数目，我们可以计算至少有多少中微子必然通过SNO，依据是单一个中微子产生氚核分裂、中微子吸收或电子散射的微小几率。结果从1967个中微子吸收事件，可以推知每平方厘米每秒有75万个电子中微子通过SNO探测器。这个数字仅相当于太阳模型预测值的35%左右。这样一来，SNO首先确认了先前其他中微子实验的结果：来自太阳的电子中微子数目的实测远小于太阳模型的预测。

然而关键的问题在于，来自太阳的电子中微子数目是否远低于所有种类中微子的总数？的确，从氚核分裂的576个事件可知，每平方厘米每秒共有509万中微子来自太阳，远高于从中微子吸收反应所测得的175万个。这些数据有很高的精确度，它们之间的差距比实验误差大5倍。

从氘核分裂测量到多出来的中微子，意味着来自太阳的509万个中微子中，有近三分之二是μ子中微子或τ子中微子。而太阳的核聚变反应只能产生电子中微子，所以一定有部分电子中微子在前往地球的途中转变了类型。这样SNO就直接证明了：中微子并不遵循标准模型对它们的简单分类，它们并不是界限分明的无质量中微子。经过20年的探索，只有像超级神冈和SNO这样的实验，才发现了基本粒子具有标准模型所没有的性质。对中微子类型转变的发现，为我们提供了直接的实验证据，证明微观世界还有很多有待发现的奥秘。

但是太阳中微子问题算解决了吗？电子中微子可以变成另一种类型的中微子，这是否圆满地解释了过去30年来所观察到的太阳中微子短缺现象呢？回答是肯定的：从实验推导出的509万个中微子与太阳模型的预测非常吻合，现在我们可以宣称，我们真的了解太阳如何产生能量了。走了差不多30年的弯路之后，终于发现太阳能够告诉我们一些关于中微子的新东西。我们可以回到Davis当初的目标上，通过中微子来认识太阳。例如中微子研究可以确定，究竟有多少太阳能量来自氢原子的直接核聚变，又有多少需要通过碳原子的催化。

中微子余波未了

SNO发现的意义还不止于此。如果中微子能够通过振荡改变类型，那它们就不可能没有质量。中微子在宇宙中的数量非常庞大，仅次于光子的数量。因此如果中微子有质量，即便很小，也会对宇宙有重大影响。如SNO和超级神冈这类中微子振荡实验，只能测出不同中微子之间的质量差，却测不出中微子本身的质量。不过，只要证明质量差不为零，也就证明了至少有一些中微子的质量不为零。从振荡实验可得出中微子的质量差，从其他一些实验可得出中微子的质量上限，二者结合起来，可以推论出中微子的质量占平直宇宙临界质量的0.3—21％(其他的宇宙学数据提示，宇宙很可能是平直的)。这一比率绝非无足轻重(宇宙中的气体、尘埃和恒星的质量只占4％)，但还不足以解释宇宙中存在的全部物质。由于中微子是最后一种可能构成质量缺失的暗物质的已知粒子，因此宇宙中一定存在着某种或某一些尚未发现的粒子。我们可以确定的是，这些不明物质所占的质量比起已知物质来要多得多。

物质对中微子振荡可能有影响，SNO一直在寻找直接证据。前面提到，中微子穿越太阳可能会提高振荡的几率。如果是这样，那么中微子在穿透数千千米的地球的过程中，就可能会出现轻微的反向效应：晚上电子中微子的数量可能比白天多。SNO的测量数据表明，晚上的电子中微子要比白天略多一点，但目前的测量还不足以显著到确认这一现象是否真的存在。

目前SNO的结果只是第一步。SNO探测氘核分裂的方法是，观察分裂后释放出的中子被其他氘原子捕获的情况，但这一过程的效率很低，仅产生极少的光。2001年5月，我们向重水中加入了两吨高纯度的氯化钠(食盐)。氯原子核捕获中子的效率比氘核高得多，反应产生的光也多，更容易与背景区别开来。因此，SNO将对氘核分裂速率进行一次单独的、灵敏度更高的测量，以检验原先的测量结果。SNO团队还建造了超净探测器阵列(又称正比计数器)，并将在2003年年中把这些探测器布置在重水池内各处，用来直接寻找中子。制造这些探测器技术上是一大难题，因为它们固有的背景辐射一定要非常低，大致相当于每年每米探测器上只会记录到1次辐射。这些装置将以独立的实验，来检测SNO的早期测量结果。

SNO功能独特，但它并非唯一的实验。2002年12月，一个新的日美实验团队KamLAND报导了其首批结果。KamLAND的探测器就设在超级神冈实验所在地，它研究的是日本和韩国所有核反应堆所产生的反电子中微子。如果因为物质相互作用而强化的中微子振荡，可以解释SNO所观测的类型转化，那么从理论预测反中微子也应该在数十或数百千米距离内改变其类型。事实上，KamLAND的确观测到了少量的反电子中微子，这意味着它们在从核反应堆到探测器的途中发生了类型转化。KamLAND的结果提示，中微子的质量差以及它们混合程度的参数，与SNO所观测到的相仿。

未来的中微子实验可能探索宇宙的最大奥秘之一：为何宇宙是由物质而非反物质构成?俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫最先指出，要从大爆炸的纯能量发展到今天以物质为主的宇宙，对于物质与反物质而言，物理定律必然要有所不同。这一现象称为“荷一宇称违逆”(简称CP违逆)。精密的对粒子衰变测量已证实物理定律出现了CP违逆。问题在于，迄今所观察到的CP违逆尚不足以解释宇宙中的物质量，所以我们尚未观测到的现象中一定隐藏着更多的CP违逆，一个可能的藏身之处就是中微子振荡。

观察中微子振荡中CP违逆的过程，将分成多个阶段。首先物理学家必须观察到电子中微子现身于高强度的μ子中微子束中。其次，我们必须建造强度更高的加速器，以产生既强且纯的中微子束，使地球另一侧或另一个大陆的探测器能观测到它们的振荡。有一种罕见的放射性过程，名为“无中微子双β衰变”(neutrinoless double betadecay)，对它的研究将提供有关中微子质量和CP违逆的更多信息。

或许还要10多年的时间，这些实验才能变为现实。看起来10年似乎长了一点，但纵观过去30年历史，诸如SNO之类传奇实验表明，坚韧不拔、持之以恒正是中微子物理学家的本色，因为他们要揭示的是一类难以捉摸的粒子。这些粒子的奥秘与我们进一步理解粒子物理学、天体物理学和宇宙学息息相关，所以我们必须坚持下去。

[武晓岚／译    曾少立／校]