太陽中微子之謎

2015-09-10 07:22:44布瑞恩·科伯萊恩

飛碟探索 2015年3期

布瑞恩·科伯萊恩

中微子有可能是宇宙中最神秘的粒子，人們首次發現它是在2 0世紀5 0年代。它是作為放射性衰變的產物被發現的，其實，核聚變反應也能產生中微子。太陽通過質子—質子鏈反應與太陽核心的聚變反應產生大量中微子，這使得太陽成為中微子天文學研究的完美對象。但是，2 0世紀6 0年代，當人們第一次開始觀測太陽中微子時，卻發現了一個被稱為“太陽中微子之謎” 的神秘現象。這個問題直到2 0世紀9 0年代才得以解決，證明了中微子比我們想象的還要神秘。

在地球上測量到的太陽中微子數量只有期望數值的1/3，由此產生了太陽中微子問題。這說明，要么是我們對太陽核聚變的理解錯了，要么是中微子發生了某些奇怪的變化。在問題產生的同時，人們開始對太陽中微子進行測量，發現電子有兩個姐妹粒子，即τ 介子和μ 介子，且這兩個粒子都分別有一個對應的中微子。這就意味著，中微子的種類有三種，比預想中多了兩種。而觀測到的太陽中微子的數量只有期望值的1/3，似乎這兩者之間存在某種關系。

人們立刻發現了一個問題。早期的太陽中微子探測器只能檢測到電子中微子，因此，如果太陽產生的中微子數量與期望值一致，且三種中微子的數量勢均力敵，就能解決這個問題（τ 中微子和μ 中微子無法被檢測到。因此，如果三種中微子的數量平均的話，人們能探測到的中微子的數量應該只有理論值的1/3——譯者注）。但問題是，太陽產生的中微子中，不可能三種中微子樣樣俱全，太陽核聚變只能產生電子中微子。顯然，問題的解決方案應該是弄清楚某些中微子是如何由電子中微子轉變成另外兩種中微子的。但是，根據當時的粒子物理學標準模型，中微子是不帶電的。正因為中微子不帶電，所以能以光速穿行，而且也不改變它們的味道（粒子物理學概念，是基本粒子的一種量子數——譯者注）。

當然，如果中微子有質量，它們就可以改變味道了。但問太陽中微子題是，中微子的質量稍有特殊，跟我們平時理解的質量有出入。在標準模型中，中微子受控于弱電力（弱電力是一種電磁力，左右著放射性衰變）。弱電模型是一種量子理論模型，從這里開始，不確定性原理開始發揮作用。因此，我們可以測量中微子的質量，也可以測量中

微子的味道，但我們不能同時測量二者。也就是說，我們可以說中微子具有質量，但我們絕不可以說電子的味道具有特殊質量。

由于質量和味道之間的量子模糊性，我們的研究就受到很大限制，只能知其一，不可能二者俱知。根據標準模型，中微子有三種質量（即質量本征態）和三種味道（味道本征態）。如果我們知道一個中微子（電中微子、τ 介子中微子和μ 介子中微子）的味道，那么這個味道就是三種質量本征態的疊加（即量子混合態）。如果我們知道一個中微子的質量，那么這個質量就是三種味道本征態的疊加。一個電子中微子與μ 介子中微子的不同之處就在于三種質量本征態混合的不同，中微子的每種味道都由不同質量

本征態的獨特疊加而成。

那么，具有質量模糊性的中微子如何解決太陽中微子之謎？因為每個質量本征態的速度略有不同，因此，在核反應過程中釋放出的電子中微子，其質量疊加狀態會逐漸發生變化。依據量子理論，每個質量本征態都有其獨特的波長，因此質量本征態的變化受波長干擾。這就是神奇的中微子振蕩。一種中微子在宇宙中穿行時，因為振蕩現象的存在會變成其他味道的中微子，因此，我們觀測到的處于某種味道的中微子的量會時高時低。

跟廣袤的宇宙空間比起來，太陽與地球的距離其實是相當小的，因此，對電子中微子來說，與其他類型的中微子混合的概率有限。但是，當中微子穿過物質時，就會產生另外一種振蕩現象，即MSW 效應。當中微子在物質中穿行時，其速度會發生變化，就像光線穿過玻璃時其速度會因玻璃的折射率發生改變一樣。在這個過程中，不同味道的中微子變化不同，而且會增強中微子之間的混合效應。當中微子到達太陽表面時，三種味道的中微子混合比例相當，因此，到達地球的電子中微子只占全部中微子的1/3。這就解釋了為什么中微子探測器只能探測到中微子理論值的1/3了。

因此，太陽中微子之謎也得到了很好的解決。

當然，有人可能會說，這只是為了解決太陽中微子之謎而設計的一個錯綜復雜的模型。但是，藝高才能膽大，我們對具有模糊質量的中微子味道的改變能解決太陽中微子之謎這一點有著充足的自信。