太阳中微子之谜

2015-09-10 07:22布瑞恩·科伯莱恩

飞碟探索 2015年3期

布瑞恩·科伯莱恩

中微子有可能是宇宙中最神秘的粒子，人们首次发现它是在2 0世纪5 0年代。它是作为放射性衰变的产物被发现的，其实，核聚变反应也能产生中微子。太阳通过质子—质子链反应与太阳核心的聚变反应产生大量中微子，这使得太阳成为中微子天文学研究的完美对象。但是，2 0世纪6 0年代，当人们第一次开始观测太阳中微子时，却发现了一个被称为“太阳中微子之谜” 的神秘现象。这个问题直到2 0世纪9 0年代才得以解决，证明了中微子比我们想象的还要神秘。

在地球上测量到的太阳中微子数量只有期望数值的1/3，由此产生了太阳中微子问题。这说明，要么是我们对太阳核聚变的理解错了，要么是中微子发生了某些奇怪的变化。在问题产生的同时，人们开始对太阳中微子进行测量，发现电子有两个姐妹粒子，即τ 介子和μ 介子，且这两个粒子都分别有一个对应的中微子。这就意味着，中微子的种类有三种，比预想中多了两种。而观测到的太阳中微子的数量只有期望值的1/3，似乎这两者之间存在某种关系。

人们立刻发现了一个问题。早期的太阳中微子探测器只能检测到电子中微子，因此，如果太阳产生的中微子数量与期望值一致，且三种中微子的数量势均力敌，就能解决这个问题（τ 中微子和μ 中微子无法被检测到。因此，如果三种中微子的数量平均的话，人们能探测到的中微子的数量应该只有理论值的1/3——译者注）。但问题是，太阳产生的中微子中，不可能三种中微子样样俱全，太阳核聚变只能产生电子中微子。显然，问题的解决方案应该是弄清楚某些中微子是如何由电子中微子转变成另外两种中微子的。但是，根据当时的粒子物理学标准模型，中微子是不带电的。正因为中微子不带电，所以能以光速穿行，而且也不改变它们的味道（粒子物理学概念，是基本粒子的一种量子数——译者注）。

当然，如果中微子有质量，它们就可以改变味道了。但问太阳中微子题是，中微子的质量稍有特殊，跟我们平时理解的质量有出入。在标准模型中，中微子受控于弱电力（弱电力是一种电磁力，左右着放射性衰变）。弱电模型是一种量子理论模型，从这里开始，不确定性原理开始发挥作用。因此，我们可以测量中微子的质量，也可以测量中

微子的味道，但我们不能同时测量二者。也就是说，我们可以说中微子具有质量，但我们绝不可以说电子的味道具有特殊质量。

由于质量和味道之间的量子模糊性，我们的研究就受到很大限制，只能知其一，不可能二者俱知。根据标准模型，中微子有三种质量（即质量本征态）和三种味道（味道本征态）。如果我们知道一个中微子（电中微子、τ 介子中微子和μ 介子中微子）的味道，那么这个味道就是三种质量本征态的叠加（即量子混合态）。如果我们知道一个中微子的质量，那么这个质量就是三种味道本征态的叠加。一个电子中微子与μ 介子中微子的不同之处就在于三种质量本征态混合的不同，中微子的每种味道都由不同质量

本征态的独特叠加而成。

那么，具有质量模糊性的中微子如何解决太阳中微子之谜？因为每个质量本征态的速度略有不同，因此，在核反应过程中释放出的电子中微子，其质量叠加状态会逐渐发生变化。依据量子理论，每个质量本征态都有其独特的波长，因此质量本征态的变化受波长干扰。这就是神奇的中微子振荡。一种中微子在宇宙中穿行时，因为振荡现象的存在会变成其他味道的中微子，因此，我们观测到的处于某种味道的中微子的量会时高时低。

跟广袤的宇宙空间比起来，太阳与地球的距离其实是相当小的，因此，对电子中微子来说，与其他类型的中微子混合的概率有限。但是，当中微子穿过物质时，就会产生另外一种振荡现象，即MSW 效应。当中微子在物质中穿行时，其速度会发生变化，就像光线穿过玻璃时其速度会因玻璃的折射率发生改变一样。在这个过程中，不同味道的中微子变化不同，而且会增强中微子之间的混合效应。当中微子到达太阳表面时，三种味道的中微子混合比例相当，因此，到达地球的电子中微子只占全部中微子的1/3。这就解释了为什么中微子探测器只能探测到中微子理论值的1/3了。

因此，太阳中微子之谜也得到了很好的解决。

当然，有人可能会说，这只是为了解决太阳中微子之谜而设计的一个错综复杂的模型。但是，艺高才能胆大，我们对具有模糊质量的中微子味道的改变能解决太阳中微子之谜这一点有着充足的自信。