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太阳中微子之谜 | 太阳的故事(中)

卢昌海
探测太阳中微子的不同方法其实早在Homestake实验开始运作之前就已经有人在研究了。1966年,俄国物理学家库兹明提出了一种新的探测方法,利用镓的同位素71Ga作为探测物质。71Ga 与中微子反应后会生成锗的同位素71Ge(同时放出一个电子以平衡电荷)。71Ge是一种放射性元素,半衰期约为11天。

利用71Ga来探测太阳中微子有一个Homestake实验无法比拟的优势,那就是能够探测到的中微子能量范围要宽广得多。我们在前文介绍过,在太阳核心所产生的能量中,第一类质子-质子链的贡献占了85%左右。毫无疑问,这是太阳核心最重要的核聚变反应,也是太阳中微子的最大来源。但这类反应所产生的中微子的最大能量只有0.423MeV (平均能量为0.267MeV),而Homestake实验所能探测到的中微子的最低能量——即所谓的阈能——却是0.814MeV,大大高于第一类质子-质子链所产生的中微子的能量。这就意味着Homestake实验对太阳中微子中数量最庞大的那部分是“视而不见”的。考虑到检测中微子的极端困难性,这种巨大的“浪费”无疑是极大的缺陷。而利用71Ga来探测太阳中微子的最大好处就是能弥补这一缺陷,因为它所能探测到的中微子的最低能量为0.233MeV,从而涵盖了很大一部分来自第一类质子-质子链的中微子。除这一点外,利用71Ga来探测太阳中微子还有一个很大的好处,那就是在理论上,人们对第一类质子-质子链的研究要比对那些所占比例小得多的其他反应彻底得多,因而能提供更可靠的理论数据。

设想是有了,将它变为现实却不是一件容易的事情,利用71Ga作为探测物质的太阳中微子实验直到20世纪90年代初才开始出结果。从事此类实验的有两个研究小组,一个是由前苏联和美国科学家联合进行的,称为SAGE实验(图2),地点在前苏联高加索山区的一条四千米深的隧道内,等效水深约为4700米;另一个是由美、德、法、波兰、意大利、以色列等国科学家联合进行的,称为GALLEX实验,地点在意大利阿布鲁佐大区的一个等效水深约 3200 米的地下实验室内。在实验手段上,SAGE采用的实验物质是30吨液态镓(1991年增加到57吨),GALLEX采用的则是101吨三氯化镓溶液。

那么这两组新实验的结果如何呢?它们是“A.找到了全部的太阳中微子”呢?还是“B.证实了Homestake实验那缺斤短两的结果”?答案是:“C. 以上都不对”。这两组新实验探测到的太阳中微子流量既不是1/3,也不是1,而大约是理论流量的60%。
     

                                     


                 图2  SAGE (左) 和 GALLEX (右) 实验所在的山区

有点盲人摸象的意味了,你摸到一个脑袋,我摸到一条大腿。真相到底如何呢?还得再摸摸看。

另一组“摸象”的“盲人”是日本人,他们的实验结果其实比SAGE和GALLEX出得更早,他们的实验地点在日本神冈町的一座等效水深约2700米的地下矿井内,称为神冈观测站,原先从事的是一度很热门的质子衰变研究。自1985年开始,该观测站经过扩建后改称为神冈核子衰变实验II期。自1987年起,该实验室的探测器——神冈探测器——开始进行太阳中微子探测。

神冈探测器探测太阳中微子的方式与Homestake、SAGE、GALLEX等实验都不相同,它核心部位的探测物质是2142吨高度纯净的水,所利用的反应过程则是中微子与电子的碰撞。这种碰撞当然是小概率事件(因此要用几千吨水),但如果发生了,就有可能使电子获得能量,如果入射中微子的能量很高,电子所获得的能量也会很多,运动速度甚至可以超过光速——别紧张,只是超过水中的光速。当电子在水中的运动速度超过水中的光速时,就会发射一种特殊的辐射,叫做切伦科夫辐射。通过观测这种辐射,物理学家们就可以确定反应的发生。

神冈探测器的这种与众不同的探测原理使它具有一种Homestake、SAGE、GALLEX 等实验都不具有的优势,那就是可以确定中微子与电子发生反应的时间、位置、入射方向、入射能量等细节。这些细节对于统计太阳中微子的数量来说虽不是必须的,但对于深入探索太阳核心的其他奥秘却有很大价值。不过有得就有失,神冈探测器也有一个很大的问题,那就是阈能特别高。为了使碰撞后的电子能够“超光速”,并且发射足够强劲的切伦科夫辐射, 入射中微子的最低能量要达到7.2MeV,只有极少数太阳中微子能具有如此高的能量。

从1987年到1990年,神冈探测器在积累了1040天的数据后得到了一个结果:它探测到的太阳中微子流量约为理论流量的46%。1995年,在积累了2079天的数据基础上,上述结果被修正为55%。1996年,神冈观测台耗资一亿美元建造了更大的探测器,称为超级神冈探测器(图3),它的探测物质增加到了50000吨高度纯净的水,它对切伦科夫辐射的探测灵敏度达到了可以探测到月亮上一支烛光的惊人程度,而它的阈能则降低到了5.5MeV。一句话,它在各方面都有了长足的改进。自1998年起,超级神冈探测器开始发布探测结果,它所探测到的太阳中微子流量约为理论流量的47%,与其他各组实验都不相同。

                                     


                      图3  超级神冈探测器

20世纪就在这样忙忙碌碌的太阳中微子研究中走到了尾声。虽然在这类研究中,无论实验还是理论都存在不小的误差,但有一点已经可以确定,那就是探测到的太阳中微子流量明显小于理论预言。究竟是太阳原本就没有发射那么多中微子呢?还是有些太阳中微子失踪了?如果是失踪,那它们究竟跑到哪里去了呢?

这些问题构成了所谓的太阳中微子之谜, 或太阳中微子失踪之谜。不过严格来说,这最后一个名称是需要论证的,这就好比在现实世界中要把一个案件定性为失踪案,需要经过排查。现在我们就从这些排查说起。

我们要排查的第一种可能性是观测是否出问题。这种排查之所以必要,是因为中微子是一种相互作用极其微弱、从而在观测上极易“漏网”的粒子。这“漏网”达到一定程度,就有可能无中生有地产生出“太阳中微子之谜”来,就像早年的核物理实验因为无法探测到中微子,而无中生有地闹出了能量不守恒的伪问题一样。

那么,太阳中微子问题是否也是那样的伪问题呢?答案是否定的。理由有两条:一是太阳中微子问题乃是几组独立实验的共同结果,这种结果的可靠性要比单一实验大得多。二是GALLEX和 SAGE 这两组实验都用流量已知的人工中微子源对探测器进行过校正,从而进一步确保了它们的可靠性。因此我们有充分的理由相信,太阳中微子问题并不是观测错误导致的伪问题。

既然不是伪问题,那就是真问题了;而既然不是观测问题,那就是理论问题了。因此接下来要排查的就是哪部分理论出了问题。我们知道,对太阳中微子流量的理论预言来自所谓的太阳模型,也称为标准太阳模型。这一模型以太阳的大小、光度、表面温度等可观测数据为约束,对太阳内部物态的分布、压强的平衡、能量的产生与传输、辐射的吸收与发射等主要因素及相互关系作了定量描述。但标准太阳模型并不是故事的全部,因为太阳中微子被产生之后,还必须穿越几十万千米的太阳物质以及日地之间将近一亿五千万千米的距离,才能进入我们的探测器。而描述后面这些过程的是有关粒子物理的模型,也叫做粒子物理标准模型。这一模型对目前已知的所有基本粒子及其相互作用,作了相当精密的描述。因此,与太阳中微子问题有关的理论有两个部分,它们拥有一个共同的名字叫“标准模型”。而所谓“哪部分理论出了问题”,归根到底是两个标准模型之争,即标准太阳模型vs粒子物理标准模型。

这两个标准模型哪个更可靠呢?在谜底揭晓之前如果让物理学家们押宝的话,我想绝大多数物理学家会把宝压在粒子物理标准模型上。因为这个模型自20世纪60年代后期建立以来,已经得到了无数的检验,其中包括所预言的新粒子及其参数得到证实那样堪称经典的检验。粒子物理标准模型所描述的虽然是肉眼无法看见的微观世界,但对物理学家们来说,实验室里数不胜数的粒子反应图片,无时无刻不在述说它的实在性。与之相比,标准太阳模型所受到的检验却少得可怜,其中被寄予厚望的太阳中微子实验偏偏又得出了令人尴尬的结果。而且与粒子物理标准模型所描述的相对纯粹的微观世界不同,标准太阳模型涉及的是一个巨型天体的内部世界,只要想想我们脚底下的地球尚且如此复杂,我们对标准太阳模型的信心就很难不打上几分折扣。因此直到20世纪90年代,曾因研究大统一理论而闻名的美国物理学家乔治还在一篇论文中宣称太阳中微子问题与粒子物理无关,他并且很体贴地表示:天体物理学家们能够把太阳中微子的数目计算到只差两到三倍的程度,就已经很了不起了。言下之意,实验与理论的这点出入是不足为奇的,可以由标准太阳模型负全责,别来烦粒子物理。另一位知名的美国物理学家德雷尔也表示,粒子物理标准模型已经辉煌到了难以被放弃的程度。

既然“民意”如此,那我们就先考虑标准太阳模型出问题的可能性吧。我们在前文中介绍过,太阳核心核聚变反应的剧烈程度与太阳的核心温度有着极为敏感的依赖性。由于太阳中微子来自于核聚变反应,它的流量当然也与太阳的核心温度有着极为敏感的依赖性。因此,标准太阳模型出问题的最大可能性,就是它所预言的太阳核心温度出了错。如果太阳核心的实际温度比标准太阳模型所预言的低,那么太阳核心核聚变反应的剧烈程度,以及它所产生的太阳中微子的流量就会大幅降低。计算表明,托太阳核心温度与核聚变反应之间敏感依赖性的福,太阳的核心温度只要调低几个百分点,就足以使太阳中微子的流量减少几十个百分点,从而与观测结果定性相符。

初看起来,这是一种很大的可能性,因为在描述像太阳核心那样远离经验的环境时,出现几个百分点的温度误差不仅是完全可能的,甚至可以说是无可避免的。但细想一下却又不然,理由很简单:将太阳的核心温度调低几个百分点虽然能定性地调和中微子流量的理论与观测之间的差距,但同时也会导致太阳光度的大幅降低——因为核聚变反应的剧烈程度大幅降低了,而这却是完全有违观测的。

对标准太阳模型出问题的可能性构成更沉重打击的,是我们在后文中将要介绍的所谓日震学研究, 那种研究证实了标准太阳模型的许多细节。事实上, 标准太阳模型看似“五大三粗”,只用寥寥几个方程式来描述整个太阳的基本特征,但它对物理原理的运用却是相当缜密的,甚至达到了“牵一发动全身” 的精密性。比如要想调低太阳的核心温度,就必须同时调节太阳内部重元素比例之类的参数,那些参数有不少是可以用日震学手段进行检验的,而检验的结果几乎无一例外地支持了标准太阳模型。

至此,标准太阳模型出问题的可能性基本被排除了,而太阳中微子问题也确实可以定性为失踪案了,因为标准太阳模型既然没问题,就说明太阳中微子的流量确实要比实验探测到的大。(未完待续)

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