太陽中微子“獵手”：雷蒙德·戴維斯

王江山

中微子是一種能夠穿越空間和固體物質的亞原子粒子，它難以捉摸，與其他物質的相互作用十分微弱，具有神奇的穿透特性，被稱為“宇宙中最難以捉摸的獵物”。但有一位科學家靠著精巧的實驗設計和超凡的耐心“抓住”了神出鬼沒的中微子，他第一個探測到了太陽中微子的存在;他為太陽內部的核聚變理論提供了最為直接和堅實的支持;他和小柴昌俊在“探測宇宙中微子”方面取得的成就導致了中微子天文學的誕生……他就是2002年諾貝爾物理學獎獲得者，美國科學家雷蒙德·戴維斯。

開啟“尋獵”之旅

1914年10月14日

雷蒙德·戴維斯出生亍華盛頓，他的父親是美國匡家標準局（National Bu reaLof Standards）的一名攝景師。從小他就對科學感共趣，父親也鼓勵他進行化學實驗，甚至把家中的地下室送給他作實驗室。

1938年

戴維斯在馬里蘭大學獲得化學學士學位，之后又獲得該校碩士學位;1942年，獲得耶魯大學物理化學博士學位。

1948年春天

戴維斯加入了致力于和平利用核能的布魯克海文國家實驗室。在那里，他被要求“尋找一些有趣的東西來研究”，于是他將目光投向了中微子研究。中微子是一種基本粒子，不帶電，質量極小，但在當時沒有人能證明它是不是單獨存在。在早期的實驗中，他試圖用布魯諾·龐蒂科夫（BrunoPontecorvo）建議的氯氬探測方法探測來自反應堆的中微子。第一次嘗試沒有檢測到任何信號，因為這個反應堆的中微子流量太小，而且反應堆發射出了反中微子，龐蒂科夫的方法卻只能探測中微子，而當時的人們還不知道這兩種粒子是不同的。

1954年

為了更好地探測中微子，戴維斯在布魯克海文的反應堆和薩凡納河（Savannah River）的一個反應堆部署了含有氯原子的探測器。他不僅完善了實驗方案，還開發了開采、氣體處理和計數所需的硬件。

1958年

1958年，霍爾格倫和約翰斯頓提出，質子一質子鏈中的一個末端反應將產生高能中微子。這可以用氯一氬放射化學方法測量。受這些理論的啟發，20世紀60年代，戴維斯在南達科他州霍姆斯特克礦井里放置了一個裝有富氯液體的儲存罐。探測器本身由一個約40萬升的裝有四氯乙烯（一種常用于干洗衣物的溶劑）的水箱組成，該實驗在位于地下近1600米處進行。在極少數情況下，中微子能與氯原子相互作用形成氬原子。通過計算這些氬原子，就可以探測到來自太空的中微子。

1968年

在改進計數方法和實驗條件后，戴維斯和團隊終于成功地測量了太陽產生的中微子的流量，但奇怪的事情發生了：他測量到的中微子數量僅有根據標準太陽模型計算出來的1/3。這就是所謂“太陽中微子問題”的起源。太陽中微子問題一直困擾著物理學家和天體物理學家，當時戴維斯認為標準太陽模型有問題，而許多物理學家認為他的實驗有問題。1976年，戴維斯和約翰·巴卡爾發表了論文《太陽中微子：一個科學難題》，解釋了太陽中微子問題的性質，他們認為“這種差異導致了恒星演化理論的危機。”

“捕獲”隱形獵物

1984年

戴維斯退休了，但他并不準備就此放棄對太陽中微子的探測，直到20世紀90年代末，他還一直進行著測量太陽中微子流量的實驗。但戴維斯多年的測量都產生了一致的答案，實驗程序也非常嚴謹，那太陽中微子到底為什么缺失呢？為了解決這一困惑，科學家們提出，太陽釋放的電子中微子可能在傳播到地球的過程中發生了轉換，變成了其他類型的中微子，因為自然界還存在另外兩種中微子：“u中微子”和“T中微子”，而他們當時的方法只能探測到電子中微子，這就是“中微子振蕩”的觀點。如果這三種中微子之間可以相互轉換，就意味著中微子的靜止質量并不為零，這將對粒子物理學的許多基本觀念提出挑戰。

1998年

日本的超級神岡探測器首次發現了中微子振蕩的確切證據，表明u中微子轉換成了一r中微子。2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文臺發表了測量結果，探測到了太陽發出的全部三種中微子，其中35%是電子中微子。三種中微子的總流量與標準太陽模型的預言相符，徹底解決了先前觀測到的太陽中微子缺失的問題。

2002年

戴維斯、日本物理學家小柴昌俊和意大利物理學家里卡爾多·賈科尼分享了諾貝爾物理學獎，以表彰他們對天體物理學的開創性研究。戴維斯和其他科學家的研究讓人們得以檢測瀕臨滅亡的恒星，并進一步了解宇宙。