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来自恒星深处的“幽灵”粒子 精选

已有 2859 次阅读 2021-10-21 16:43 |系统分类:科普集锦

来自恒星深处的“幽灵”粒子

除了上文说的星震学方法外,还有一种方法能检验恒星模型的正确性。这种方法就是探测来自恒星燃烧壳层的“幽灵”粒子。

 

或许有读者在以前的博文中看到了恒星深处的核反应链中注意到一些标注红颜色的字符,它们就是本文要说的“幽灵”粒子。为了阅读方便,我再把那张图片在这里显示一下。

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1. 太阳中心正在发生的主要核反应链


看到没有,图中标红的字母νe就是本文要说的幽灵粒子。它的学名叫电子中微子,它的质量很小,人们现在也只能得到它很不确定的质量上限(0.1-0.2 电子伏特)。由于质量小,它受到的万有引力也很小;又因它不带电,没有电磁相互作用;此外,它也不参与强相互作用。中微子仅参与弱相互作用和非常微弱的引力相互作用,正是因为如此,它在物质中经过时总是悄无声息。宇宙大爆炸和恒星演化时都产生大量中微子,因此宇宙中的中微子数目很多,每秒钟都有超过数万亿个中微子穿过我们的身体,而我们却丝毫感觉不到。中微子与探测器的作用相当微弱,可以说是来无影、去无踪,因而被称作"幽灵"粒子。

 

中微子可以轻松地穿过地球,甚至太阳。那么,如果我们能测到从太阳中心发射出来的中微子,则能很好地检验恒星模型。中微子与探测器的作用概率随中微子的能量增加而增大,因此人们希望通过测量太阳内部出射的8B高能中微子来验证科学家预测的太阳核心发生的核反应。如果能得到太阳中8B中微子的通量,则可以比较模型预测的通过7Be(p,γ)8B反应产生的8B数目,也可以由此确定恒星内部的温度和密度等重要物理量。

 

测量太阳中心的8B中微子是一个很大的挑战,来自美国宾夕法尼亚大学天文学系的雷蒙德·戴维斯勇敢地挑起了这一艰巨的任务。戴维斯试图通过中微子和37Cl反应的信号来探测中微子。他设计的实验装置是一个埋在胡姆斯塔克(Homestake)1500米深矿井中的装有615吨四氯乙烯(C2Cl4)液体的大容器。当中微子与液体中的氯碰撞放出电子时,37Cl就转变为37Ar,只要探测到37Ar的存在,就能证实中微子的到来。

 

这种测量是相当艰苦的,需要长时间的测量并持续改进探测器的测量下限,去除更多的本底干扰。这期间,戴维斯想发表一篇论文都比较困难。据说有个杂志的评委在看了戴维斯的稿件后这样评价:读完您的论文,总体感觉就像有人要研究如何够月亮,一开始跷起脚尖够不到,再借用梯子还是够不到,这是显而易见的结果,我不知道这样的文章有什么意义。但是,戴维斯一直坚持着,持续30年,终于探测到约2000个中微子。然而,根据反应截面估算,太阳核心的中微子的数目仅有模型预言的三分之一,这就是所谓的太阳中微子丢失之谜。是太阳模型预言错了,还是中微子测量错了?

 

又经过几十年的努力,科学家们发现既不是太阳模型错了,也不是戴维斯测量有误,而是发生了中微子震荡。电子中微子在飞行过程中会发生转变,一部分会变成μ中微子,一部分会变成τ中微子,因此使用戴维斯的测量方法仅能测到三分之一的8B中微子数目。

 

上天不负苦心人,戴维斯终因它对太阳中微子的测量获得了2002年的诺贝尔物理学奖。与他同时获奖的还有日本科学家小柴昌俊和贾科尼,他们分别发现了超新星中微子和宇宙X射线源。


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2. 2002年诺贝尔物理学奖获得者


现在,中微子的测量是天文学的重要研究手段,并发展为一门科学——中微子天文学。



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2 孙冰 鲍海飞

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