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太阳中微子失踪之谜

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：６４．太阳中微子之谜能否解决？

从1993年及1995年开始运行的水切连科夫探测器和镓探测器，长期对太阳中微子的测量证明，太阳中微子到达地球后确实有很大一部分失踪了.后来科学家又发现，就在大气圈上空产生的中微子，在运行过程中同样有很大一部分失踪了，大多数科学家都同意“味震荡”假说；它是说，中微子有少许静质量，质量本征态与弱作用本征态不简并，不同味道的中微子在运行中就允许发生“味震荡”，就是说电子型中微子在运行过程中变成了难以探测的其他“味道”的中微子，为了证明这一假说的可靠性，科学家又把测量的对象对准了人工源（反应堆）中微子，虽然各有说词，但问题的严重性也终于浮出了水面：“震荡假说”如果成立，就会同时存在5个佐证；（1）找到可重复检测的双β衰变的观察依据；（2）中微子震荡的运行距离（L）具有线性数学结构；（3）高能端的观察事例数大于低能端；（4）可测量的μ中微子数量与太阳运动方向相统一；（5）不出现中微子质量平方值为负的事例.然而事实恰好相反，由铃木厚人领导的“卡姆兰德”实验组提供了（2）（3）二项相反的测量依据，其它实验提供了（4）（5）二项相反的依据，第（1）项还没有找到.这就是目前的进展状况，实验能提供的都是证伪“震荡假说”的依据.简单的中微子失踪案向现有的科学理论提出了严重的挑战.

戴维斯是首个观测到太阳中微子（即电子中微子）及其缺失现象的物理学家，证实了正是氢核聚变为太阳提供了能量．１９６８年，戴维斯在美国南达科他州距离地表４８００英尺以下的霍姆斯塔克（Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ）金矿主持建造了第一个太阳中微子实验—Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ实验，尝试利用氯—氩放射化学方法探测中微子．实验使用的中微子探测器高约１４．６ｍ，直径约６．１ｍ，装载４０万升Ｃ_２Ｃｌ_４溶液，内部装有盖革—米勒计数器，当电子中微子到达探测器时，会与Ｃ_２Ｃｌ_４溶液中的^３７Ｃｌ作用发生反β衰变反应，产生放射性^３７Ａｒ，通过对３７Ａｒ的放射性测量实现对电子中微子通量的测量：ｖ_ｅ＋^３７Ｃｌ→ｅ^－＋^３７Ａｒ.１９６８年，Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ实验进行了１５０天的取数测量，实现结果表明太阳中微子通量最大值为３ＳＮＵ（ＳＮＵ，太阳中微子单位，１ＳＮＵ＝１０３６中微子俘获／靶原子·ｓ）；之后，巴考（Ｂａｈｃａｌｌ）发表的论文中提供的修正计算结果为（７．５±３）ＳＵＮ，实际测量的太阳中微子通量显著低于理论计算值，因此出现了“太阳中微子缺失”问题．１９７０年戴维斯继续Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ实验，实验取数测量持续到１９９４年，历时２４年约探测到２０００个中微子，１９９８年戴维斯正式发表Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ实验的最终测量结果：探测到的太阳中微子直接证实了太阳能量来自于氢核聚变，但同时发现实际探测到的太阳中微子平均通量约为（２．１±０．３）ＳＮＵ，明显低于标准太阳模型的１／３．因此Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ实验发现了太阳中微子，但始终无法对太阳中微子缺失做出解释．

30年前，科学家计算出了从太阳流失的电子中微子的数量，但实际观测到的中微子的数量小于计算值.2001年加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家证实了早先一些实验得出的假设：中微子事实上并没有失踪，只是在离开太阳后转化成了τ中微子和μ中微子，因此躲过了科学家的探测.笔者认为这三种中微子可以互相转化，说明它们都是只具有引力质量.中微子质量m_υ的实验测定值是根据相对论公式：E²=P²c²+m²_υc⁴来定义的，1966年全球平均的实验数据显示m²(v_e)=-27±20eV².后来实验上进一步控制β粒子能量在源中的损失，把1991——1995年间被认为不可靠的9个实验数据排除掉，在2000年的粒子表中给出新的全球平均值，m²(v_e)=-2.5±3.3eV²，m²(v_μ)=-0.016±0.023eV²，式中的负号说明中微子的引力质量为负数，实验中观察到的只是其数值，没有考虑到其量纲.现代物理学认为：由于中微子比其它物质粒子的总数多十几亿倍，因此整个宇宙中中微子质量的总和大大超过其它物质的质量总和，占宇宙总质量的99%以上，中微子可能是控制宇宙运动变化的关键性因素.根据引力场的本质是相对时空的观点，谈论中微子的总质量是没有意义的.

附录：据新华社北京2012年3月8日电(记者吴晶晶许林贵)

大亚湾首次发现新中微子振荡反物质消失之谜有望破解                                              

科研人员在广东大亚湾反应堆3号中微子实验厅内紧张忙碌（资料图片）.

大亚湾中微子实验在洁净间中组装的中心探测器.新华社发

通往大亚湾中微子实验厅的隧道.

(1)新闻背景:3月8日下午，大亚湾反应堆中微子实验国际合作组中方发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳研究员向全世界宣布：大亚湾实验以5.2倍标准偏差的置信度（>99.9999%）测得中微子混合角13不为零，首次实验发现了中微子的第三种振荡模式.由于这一方案具有独特的地理优势和独到的设计，得到了国际上的广泛支持，目前汇集了来自中国大陆、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾等6个国家和地区的200多名科学家共同参与.据介绍，大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，它通过分布在三个实验大厅的8个全同的探测器来获取数据.每个探测器为直径5米、高5米的圆柱形，装满透明的液体闪烁体，总重110吨.周围紧邻的核反应堆产生海量的电子反中微子，近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少.在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了6个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析.结果表明中微子第三种振荡几率为9.2%，误差为1.7%，从而首次发现了这种新的中微子振荡模式.这项来自中国的物理学发现在世界上引起了轰动，在不到一天的时间里，即有1000多条海外网络报道和评论，掀起了一股中微子的热潮.

(2)“宇称不守恒”原来是中微子“捣鬼”——1956年华人物理学家李政道和杨振宁提出了宇称不守恒定律.宇称就是左右方向性.在微观世界中，“左”和“右”是不对称的.比方说，一辆汽车沿着公路向右方行驶.如果对着镜子做一辆一模一样的车，这样所有零部件都反过来设计，方向盘换到右边，发动机也左右对称地反过来，然后向左开，那会怎么样？在日常生活中，当然没有任何问题，反过来的汽车也会像在镜子里看第一辆车一样，开得好好的.可是到了微观世界，这辆车居然开不动了，因为它违背了基本的物理规律，这个规律就是宇称不守恒.这么匪夷所思的规律，当然引起了人们的极大兴趣和怀疑.

华人女物理学家吴健雄因此马上改变了去欧洲休假的计划，夜以继日地进行实验，花了几个月时间，终于清楚地证明，钴60同位素的衰变过程，确实是左右不对称的.李政道和杨振宁也因此获得了1957年的诺贝尔物理奖，这是诺贝尔奖史上获奖最快的一次.微观世界的左右为什么会不对称呢？就在李杨提出宇称不守恒的同一年，两个美国人柯万和雷因斯找到了中微子.后来人们才渐渐意识到，这实际上是中微子捣的鬼.1930年，奥地利物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量似乎不守恒，提出可能存在一种看不见摸不着的粒子，是它偷走了能量.这种粒子不带电，没有质量，几乎不与物质发生相互作用，因此捕捉不到它.泡利自己说：天啊！我预言了一种永远找不到的粒子.人们想尽了办法，终于在26年后，柯万和雷因斯在反应堆附近第一次找到了中微子存在的实验证据.雷因斯获得了1995年的诺贝尔奖.中微子极难探测，曾被人称为“鬼粒子”，它却像一只看不见的手，控制着微观世界的基本规律，甚至是宇宙的起源和演化.它具有很多奇怪的性质，宇称不守恒，本质上是因为不存在右旋的中微子，只有左旋的中微子.既然右旋的中微子都不存在，如果一个反应涉及到了中微子，当然就不能发生它的左右镜像过程了.

(3)“中微子消失”缘由是中微子振荡，第三种模式却一直没找到——在找到中微子后，人们发现总共有三种不同的中微子，分别是电子中微子、缪中微子和陶中微子.很多物理过程都能产生中微子，比如太阳能够发光，是因为太阳内发生着核聚变，这些核聚变同时也产生着中微子.太阳中微子跟太阳光一样，向四面八方飞出，地球上指甲盖大小的地方，每秒钟就会落下600亿个太阳中微子.反应堆发电的能量来自核裂变，它同样产生大量的中微子，大亚湾核电站的6个反应堆，每秒钟产生35万亿亿个中微子.宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸，在第一秒钟就产生了无穷多的中微子，它们一直存留到现在，地球上指甲盖大小的地方，每秒钟就会落下10万亿个宇宙大爆炸残留的中微子.当柯万和雷因斯在反应堆边寻找中微子的时候，另一个美国科学家戴维斯开始在地下1500米的一个废旧金矿中寻找来自太阳的中微子.去这么深的地底下，是为了屏蔽地面上宇宙线对实验的干扰.由于太阳离我们太远，所以到达探测器的中微子远不如在反应堆附近的多，戴维斯比雷因斯晚了很多才看到太阳中微子.不过他发现了一个奇怪的现象，太阳中微子的数量只有预期的三分之一，这个困扰科学家几十年的问题，称为“太阳中微子失踪之谜”.在宇宙中，有很多能量非常高的宇宙射线，它们进入地球的大气层后，会打出中微子，称为大气中微子.从上世纪80年代起，人们就发现大气中微子似乎没有我们预计的多，称为“大气中微子反常”.1998年，日本的超级神岗实验以确凿的证据，证明中微子存在振荡现象，一种中微子，能够在飞行中变成另一种中微子，然后再变回来.太阳中微子和大气中微子的丢失，都是因为它们变成了其它种类的中微子.更多的实验也证实了这个发现.戴维斯和超级神岗的领导者小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖.根据中微子振荡理论，大气中微子振荡和太阳中微子振荡，对应着两个中微子混合角23和12.还应该存在第三种振荡模式，对应中微子混合角13.这个振荡小得多，因此一直没有找到，但是它关系到中微子物理的未来发展，也跟宇宙起源相关.因此引起了科学界的极大关注.

（4）大亚湾场地佳精度高，引来众多合作者——从2003年起，中国的物理学家就开始规划利用大亚湾核电站发出的中微子来寻找这第三种振荡模式，测出13.由于科学意义重大，世界上先后有7个国家的8个小组提出了类似的计划.大亚湾核电站的总功率世界第二，能发出更多的中微子，同时紧临高山，适合建立地下实验室，排除来自宇宙线的干扰，是世界上测量13的最佳场所.中国科学院高能所提出的实验方案，是世界上精度最高的，因此吸引了众多的国际合作者.美国也放弃自己的两个方案，转而加入大亚湾实验.经过八年的准备和建设，挖了3公里的隧道，建立了三个地下实验厅，研制了8个110吨重、却异常精密的中微子探测器，放置在实验厅内巨大的水池中.大亚湾实验的第一个实验厅于2011年8月15日开始运行.四个月后，三个厅全部投入运行，开始获取有意义的物理数据.又过了三个月，研究人员不分昼夜地分析实验数据，只用了55天的数据，就发现远厅的中微子数丢失了6%，以确凿的证据证明13不为零.13的大小大约在9度左右，虽然比另外两个混合角小得多，但却比我们最初预计的要大得多！诺贝尔奖获得者李政道、卡罗·鲁比亚教授以及十几位各大实验室负责人和粒子物理实验的发言人向中国高能物理研究所发来贺信.李政道先生说：“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就！”大亚湾实验能够捷足先登，某种意义上可以说是运气不错.去年日本的大地震，不仅震出了福岛核事故，也震坏了T2K实验的加速器，直到今年才修好.和大亚湾同时起步的法国和韩国的实验规模只有大亚湾的四分之一，建设周期短，如果13这么大的话，他们是可以抢先的.不过，运气只会光顾不懈拼搏的人.为了赢得国际竞争，大亚湾人从没有节假日的概念，每天两班倒工作16个小时.有的研究人员经常连续工作30多个小时.

(5)新发现为破解“反物质消失之谜”开辟蹊径——大亚湾实验的发现让所有研究中微子的科学家都感到兴奋.即使是大亚湾的竞争对手、日本T2K实验的发言人小林隆和郑章基教授也来信祝贺，表示：“中微子振荡实验的光明前景令人激动不已.有了这个大的13混合角，若上天继续眷顾我们，或许在我们有生之年可以揭开物质层次和CP破坏的奥秘.”美国《科学》杂志在线版“科学此刻”栏目发表文章《中国物理学家揭露中微子测量的关键》，评价：“此次成果完成了一幅中微子的概念图”，并称“这为‘中微子与反中微子行为间不对称’的实验铺平了道路.其将可以解释为何现在的宇宙中有如此多的物质，却只有那么一丁点儿的反物质这一问题”.原来，宇宙起源中的物质与反物质不对称很可能与它有关.当宇宙大爆炸发生时，根据粒子物理规律，正反物质应该成对产生，是一样多的.可是我们现在的宇宙中，并没有发现大量反物质存在的迹象.那么反物质哪里去了？中微子存在振荡现象，同时意味着可能存在另一种不守恒，即电荷－宇称不守恒，就是上文说到的CP破坏（电荷用C表示，宇称用P表示）.李政道和杨振宁发现了宇称不守恒后，人们发现电荷和宇称乘起来一般来说却是守恒的，但也有很少的例外，称为CP破坏.如果存在大的CP破坏，那么在宇宙早期，反物质就有可能衰变得更快，导致现在的宇宙中只剩下了正物质.不过CP破坏很难测，现在还没有发现中微子的CP破坏现象.如果13很大，那么我们就可以设计实验，去测量CP破坏的大小，破解宇宙的奥秘.当然，这个发现对中微子研究的其它方方面面也有着重要影响.比如，我们将更容易确定三种中微子哪个最轻，哪个最重，也许会更难确定中微子是不是它自己的反粒子等等.