太阳的故事--太阳中微子之谜（下）

来源：现代物理知识杂志

卢昌海

现在留给我们的就只有一条路了：修改粒子物理标准模型。粒子物理标准模型再是“辉煌到了难以被放弃的程度”，到了这地步，我们也只得在它头上动土了。不过在动土之前，我们先要对中微子的家世做一个彻查。据我们目前掌握的情况，中微子家族共有三兄弟，个个都是偷运能量的好手。我们前面所说的中微子只是最早落网的那个，它的全名叫做电子中微子。除电子中微子外，人们在1962和2000年又先后发现了另外两种中微子，分别叫做μ子中微子和τ子中微子。这种三兄弟结构为解决太阳中微子问题提供了一条新的思路，叫做中微子振荡。

什么是中微子振荡呢？简单地讲就是中微子三兄弟之间的相互转变。这种转变可以循环往复， 因而称之为振荡。中微子振荡之所以有可能解决太阳中微子问题，是因为太阳核心所产生的全都是电子中微子，而我们前面介绍的那些中微子探测器所探测的也主要是电子中微子。因此假如来自太阳核心的电子中微子在飞往地球的途中有一部分转变成了m子中微子或t子中微子，就会逃过探测器的检验，而造成中微子失踪的假象。这就好比一位用几个笔名轮流发贴的网民，从 IP 地址上显示他一共发了一百个贴子，但你若只搜索其中一个笔名，就只能搜到一部分贴子。

有关中微子振荡的想法有着不短的历史。事实上，早在中微子的兄弟被发现之前，也早在太阳中微子问题出现之前，就有人提出了中微子振荡的想法（最初针对的是中微子和反中微子）。而当戴维斯实验让太阳中微子问题粉墨登场后，中微子振荡的想法被再次提了出来。

那么，中微子振荡需要从哪里入手修改标准模型呢？是从添加中微子的质量入手。在标准模型中，所有中微子都是无质量的。在理论上可以证明，如果所有中微子都是无质量的，中微子振荡就不可能发生。因此，要想有中微子振荡，就必须从添加中微子质量入手，修改粒子物理标准模型。

接下来我们想知道的是：在中微子振荡中，中微子相互转变的概率满足什么规律？这对于观测验证是至关重要的。简单的理论分析表明，那种概率与中微子的质量、能量、相互间的混合，以及飞行距离等因素都有关联。这些关联为拟合观测数据（包括几组观测得到不同结果这一特点）提供了许多可调节的参数。可惜的是，当人们更细致地研究了中微子振荡之后，却发现了一些问题。比如计算表明，要想用中微子振荡来解释观测结果，需要假定中微子的某些参数与像日地距离那样与中微子风马牛不相及的参数之间满足一定的巧合关系。这种有赖于巧合的解释是物理学家们素来不喜欢的，因此是一个不好的兆头。如果说这还只是口味问题，那另外的问题可就是“你死我活”的级别了。比如计算表明，由中微子振荡所导致的中微子失踪率应该呈现明显的季节变化（这是因为中微子相互转变的概率与飞行距离有关，而不同季节里，日地距离是不同的），但观测却并未发现与理论预期相符的变化。

这样一来，情况就又有些不妙了。如果连中微子振荡也不行了，那岂不是连最后一条路也要变成绝路？幸运的是，在中微子振荡中还有一个重要因素起着不可忽视的作用，那就是物质对中微子振荡的影响。虽然没有明说，我们前面提到的中微子振荡其实都是指真空中的振荡，但事实上，太阳中微子一出世就得穿越厚达几十万千米的太阳物质，这会对它们产生一定影响。有读者也许会问：我们不是说过，太阳物质对中微子来说几乎是透明的吗？是的，我们曾经说过。但透明不等于完全没有影响，玻璃对光来说也是透明的，却可以导致各种光学效应。太阳物质对于中微子来说也是如此，虽然透明，但会有一定影响。而且更重要的是，太阳物质对不同类型的中微子有不同的影响，对电子中微子的影响要比对m子和t子中微子大，由此导致的后果是对中微子振荡产生影响。这种影响早在1978年，就由美国物理学家沃芬斯坦研究过。1985年，俄国物理学家米克耶夫和斯米诺夫推进了这一研究，并得到了一些重要结果。这种物质对中微子振荡的影响因此而被冠以他们三人的姓氏首字母，称为MSW效应。后来的定量计算表明，考虑了MSW效应后的中微子振荡与所有的太阳中微子观测都相容。

不过，中微子振荡作为太阳中微子问题的正解，它的真正确立则是建立在更直接的实验裁决之上的。这种裁决首先来自日本的超级神冈探测器。1998年，超级神冈探测器通过检测宇宙线在地球大气层中产生的μ子中微子与电子中微子的相对数目，首次直接证实了中微子振荡的存在。在太阳中微子研究中，神冈系列探测器可谓居功至伟，占据了不止一项第一。除首次直接证实中微子振荡外，我们在上节中提到的它能测定中微子入射方向这一特点 （它对中微子振荡的证实也有赖于这一特点），还使它成为了第一个直接证实太阳中微子来自太阳方向的探测器（此前的其他探测器都只能从数量上间接推断中微子来自太阳，因为其他来源都不可能如此巨大）。

不过超级神冈探测器在证实中微子振荡时所观测的并不是太阳中微子，而是能量远高于太阳中微子的由宇宙线产生的中微子。因此对于解决太阳中微子问题来说还不够一锤定音。那么，对太阳中微子问题最一锤定音的裁决来自哪里呢？来自加拿大的萨德伯里中微子观测台。这座位于等效水深6000米处的观测台有一个与以往任何探测器都不相同的特点，那就是可以探测所有类型的中微子，从而既验证标准太阳模型的预言，又检验中微子振荡。

2001年，萨德伯里中微子观测台发布了观测结果，非常漂亮地显示出中微子的总流量在实验精度范围内与标准太阳模型相符，而电子中微子所占的比例，则与中微子振荡所预期的一致。

这样，太阳中微子之谜就被解开了，谜底就是中微子振荡。在标准太阳模型与粒子物理标准模型的对决中，居然是标准太阳模型取得了胜利，这让很多人跌破了眼镜。此后，人们又通过大量其他实验（包括使用来自加速器及核反应堆的中微子）进一步证实了中微子振荡。经过如此曲折的努力，我们终于完成了为恒星核聚变理论收集进一步证据的工作，使这一理论得到了牢不可破的确立。

2002年，那位半个世纪前被审稿人揶揄过的“站在山顶上，用自己的手去碰月亮”的太阳中微子探测先驱戴维斯以88岁的高龄，与超级神冈探测器的“头领”，日本物理学家小柴昌俊一同荣获了诺贝尔物理学奖。

2004年，戴维斯当年的合作者、太阳模型专家巴克尔撰写了一篇评述太阳中微子问题的文章。在文章的末尾，他这样写道：

当我回顾过去40年在太阳中微子研究领域所取得的成就时，我感到了惊讶。由数以千计的物理学家、化学家、天文学家和工程师组成的国际团队用他们的合作，展示了通过统计地下矿井里一个盛满纯净液体的游泳池里的放射性原子的数目，就能告诉我们有关太阳核心的重要事实，以及被称为中微子的奇异基本粒子的性质。若非亲身经历了太阳中微子的传奇，这对我来说将会是难以置信的。

一段传奇虽已落幕，但有关中微子还有许多值得人们探索的地方，比如中微子的质量从何而来？中微子的质量与电子等粒子的质量是否是同一类型？等等。一个小小粒子尚且有如此多的奥秘，更何况太阳呢？因此大家不要离开，我们的太阳故事还将继续。（全文完）