【要闻】中微子振荡小史：2002年，日美科学家共获诺贝尔物理学奖

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【编者按】年的诺贝尔物理学奖刚刚发表 获奖者是2名为发现中微子振动做出贡献的物理学家，日本物理学家梶田隆章和加拿大物理学家arthur b. mcdonald 那么，什么是中微子振动有什么历史？ 卢昌海在《上下百亿年:太阳的故事》(清华大学出版社，年8月)的相关章节中介绍了中微子振动的历史、理论、实验，澎湃信息经作者授权出版。 卢昌海是美国哥伦比亚大学物理学博士，着有《那颗星不在星图上:寻找太阳系的边界》《太阳的故事》《雷曼预想漫谈》《从奇点出发虫洞:广义相对论主题选讲》等。 本节的标题是“标准太阳模型vs粒子物理标准模型” 获得年诺贝尔物理学奖的加拿大科学家arthur b. mcdonald (亚瑟·麦当劳)和日本科学家takaaki kajita (梶田隆章) 太阳中微子带来的这些问题被称为太阳中微子问题( solar neutrino problem )，有时也被称为太阳中微子之谜，或太阳中微子失踪之谜 但是严格来说，这个最后的名称需要论证。 这就像在现实世界中将事件定性为失踪事件，需要排除故障。 在本节中，我们从什么样的故障诊断开始？ 我们必须排除的第一种可能性是观测问题的可能性 这种故障诊断是必要的，因为中微子的相互作用极其微弱，是观测上容易“漏网”的粒子。 这个“漏网”达到一定程度，里面可能会产生太阳中微子问题。 简直是因为早年的核物理实验无法检测出中微子，所以里面好像产生了能量保存的假问题。 那么，太阳中微子问题也有可能是那样的假问题吗？ 答案是否定的 理由有两个。 一个是太阳中微子问题是一些独立实验的共同结果，这个结果的可靠性比单一实验大得多。 二是gallex和sage两个实验都用流量已知的人工中微子源校正探测器，进一步确保了可靠性 因为有充分的理由相信太阳中微子问题不是观测错误引起的假问题 既然不是假的问题，那是真正的问题既然不是观测问题，那就是理论问题 今后要调查的是哪个部分的理论出了问题。 我知道太阳中微子流量的理论预言来自所谓的太阳模型。 这是学术界广泛共识的模型，也被称为标准太阳模型( standard solar model )。 该模型以太阳的大小、光度、表面温度等可观测数据为制约，对太阳内部物质状态的分布、压力平衡、能量的产生与输送、辐射的吸收与发射等主要因素进行了定量描述。 确定在太阳中心产生中微子的机制和数量 但是标准的太阳模型不是故事的全部。 因为太阳中微子发生后，要进入我们的探测器，必须横穿数十万公里的太阳物质和日地之间约1亿5千万公里的距离。 说明这一传递环节的是关于粒子物理的模型，是学术界广泛认识的模型，被称为粒子物理标准模型( standard model of particle physics ) 这个模型相当精密地记述了现在已知的所有基本粒子及其相互作用 因此，关于太阳中微子问题的理论其实有两个部分，因为它们有着共同的名字“标准模型”。 所谓“哪个部分理论成了问题”，归根结底是标准太阳模型vs粒子物理标准模型这两种标准模型的争斗 这两种标准模型哪个更可靠？ 如果在谜团解开之前让物理学家们护送宝藏，我想大部分物理学家都会把宝藏强加给粒子物理标准模型。 这是因为这个模型自1960年代后期确立以来，已经接受了无数的检查，其中包括预言的新粒子及其参数被证实的古典检查 粒子物理标准模型描绘了肉眼看不见的微观世界，但对物理学家们来说，实验室里无数的粒子反应图像总是描述着它的真相 对此，标准太阳模型的检测很可怜，但其中期待的太阳中微子实验偏偏产生了不自然的结果 而且，与粒子物理标准模型描绘的比较纯粹的微观世界不同，标准太阳模型与巨大天体的内部世界相关，考虑到脚下的地球还这么多，复杂，对标准太阳模型的信仰不太打折。 这是直到20世纪90年代，因大统一理论研究而闻名的美国物理学家乔治( howard georgi，1947-)主张太阳中微子问题与粒子物理无关的论文，天体物理学家们将太阳中微子的数量限定在只有2~3个 实验和理论在这一点上的区别并不惊人，标准太阳模型可以承担全部责任，不麻烦粒子物理 另一位著名的美国物理学家莱尔( sidney drell，1926-)也说粒子物理标准模型闪耀得难以放弃 因为是“民意”，所以首先考虑标准的太阳模型成为问题的可能性吧 如第8节所述，太阳核聚变反应的激烈程度与太阳的核温度有着极其敏感的依赖性 太阳中微子来自核聚变反应，其流量当然也与后者剧烈，与太阳的中心温度有着极其敏感的依赖性 因此，标准太阳模型产生问题的最大可能性是它预言的太阳中心温度错了。 如果太阳中心的实际温度低于标准太阳模型预言的温度，太阳中心核聚变反应的激烈程度和它产生的太阳中微子的流量将大幅下降 根据计算，由于太阳的中心温度和核聚变反应之间的敏感依赖性，太阳的中心温度只要下降百分之几，就能使太阳中微子的流量减少百分之几十，与观测结果定性一致 乍一看，这是一个很大的可能性。 因为在描述像太阳中心这样远离经验的环境时，不仅完全可能出现百分之几的温度误差，而且可以说是不可避免的 但是想想看。 理由很简单。 将太阳的中心温度降低百分之几可以定性地协调中微子流量的理论和观测之差，但会导致太阳光度的大幅下降。 因为核聚变反应的急剧程度大幅下降了。 这完全违背了观测。 但是，光靠这些几个是很难打败物理学家们的。 因为有降低太阳中心温度，保持太阳光度恒定的方法。 其中糟糕的方案是，如前节所述，利用后述的“从太阳中心放射的光子到达太阳表面需要十几万年的长时间”的优点。 利用这一优点，太阳的中心温度不久前突然变低，因此提出了这样一个奇怪的假设，即其效果没有传递到太阳表面，不影响太阳的光度 这个假设的拙劣是显而易见的。 因为是为了处理太阳中微子问题而特意炮制的，而且比太阳中微子问题更难理解 用比这种原始问题更难理解的假设处理问题的方法几乎与科学的宗旨相去甚远 甚至还提到了这样的“天方夜谭”，可以看出人们是如何把问题归咎于标准的太阳模型的 但是，写标准太阳模型的方案也不差 比较聪明的方案是降低太阳的中心温度，扩大核反应区域的范围，抵消核反应急剧下降带来的影响，维持光度一定 但是遗憾的是，如上一节介绍的那样，太阳中微子的总流量直接对应于太阳光度 一旦太阳光度维持一定，太阳中微子的总流量就维持一定 这是因为该方案至少可以说明特定的能量范围，例如高能区域内的太阳中微子问题(核温度的降低影响各种核聚变反应的相对例子，减少不同能量中微子的相对例子，特别是高能中微子的数量 但是，随着实验结果复盖的能量范围越来越广，太阳中微子问题已经不仅是特定能量范围内的问题，而且成为总流量上的问题，这超出了维持太阳光度一定的任何方案的说明范围 但是，对写入标准太阳模型的方案构成更大的打击是我们后述的所谓地震学研究，其研究证实了标准太阳模型的许多细节，对写入标准太阳模型的努力设置了相当严格的限制 实际上，标准的太阳模型看起来像“五大三粗”，用很小的方程式表现了太阳整体的基本特征，但物理原理的运用相当缜密，达到了“拉伸全身”的精密性 例如为了降低太阳的中心温度，需要调整太阳内部的重元素比例等参数，哪些参数可以用地震学手段检查，但检查结果几乎无一例外都支持标准太阳模型 除了地震学研究外，对标准太阳模型的支持来自别的行业，该行业并不是别的，而是怀疑将眼球导入标准太阳模型的太阳中微子研究本身 标准太阳模型产生问题的最大可能性是它预言的太阳中心温度错了。 因为，主要原因当然是太阳的中心温度和中微子流量具有极其敏感的依赖性，所以在外观上具有处理太阳中微子问题的潜力，另一方面，我们不能直接测量太阳的中心温度，所以要做出实验性的判断。 实验鞭所不及的地方，往往是理论到处开花的地方 但是，细心的网民可能还记得上一节我们表扬中微子“代替光子成为了窥探太阳中心奥秘的工具”。 既然赋予了这么高的荣誉，我们那让我们窥视的“太阳的核心神秘”包括太阳的核心温度吗？ 幸运的是，答案是肯定的。 正如光谱告诉我们发光体的温度一样，太阳中微子的能谱也带来了关于太阳中心温度的消息。 答案是，除了像神冈探测器那样能够测定中微子能量的探测器的诞生之外，还可以根据太阳中微子的能谱推测太阳的中心温度 推测的结果与标准太阳模型的吻合度远远高于编辑方案 从那以后，制作太阳模型的努力撞上了南墙，从此不能说没人问津，但希望渺茫了 太阳中微子问题也确实可以定性为失踪事件。 既然标准太阳模型没有问题，太阳中微子的流量确实比实验中检测到的大，因为有些太阳中微子确实失踪了 现在留给我们的只有一条路。 建立粒子物理标准模型。 粒子物理标准模型“闪耀到不能放弃”，来到这里，我们也只能在它的头上动土。 但是，在动土之前，必须仔细检查失踪者中微子的家世 根据我们现在掌握的情况，中微子家有三个兄弟，都很擅长偷运能源。 我们刚才说的中微子是第一个落网的，全名是电子中微子( electron neutrino )。 除了电子中微子，人们在1962年和2000年还发现了另两种中微子。 分别被称为μ子中微子( muon neutrino )和τ子中微子( tau neutrino )。 这三兄弟结构从编写粒子物理标准模型的角度为处理太阳中微子问题提供了重要的思路，被称为中微子振动( neutrino oscillation )。 什么是中微子振动简单来说就是中微子到μ子中微子，μ子到τ子中微子等中微子三兄弟之间的相互变化。 这种变化可以循环往复，因此称为振荡 振动有可能处理太阳中微子问题是因为从太阳核心产生的都是电子中微子，我们上节介绍的任何中微子检测器检测的都主要是电子中微子 这是因为来自太阳中心的电子中微子在前往地球的途中一部分变成μ子中微子和τ子中微子时，会错过探测器的检查，引起中微子失踪的幻想。 这就像在几个马甲(笔名)上交替投稿的读者，表示他从ip地址一共发了100个帖子，但如果只搜索其中一个马甲，就只能搜索部分帖子。 关于中微子振动的想法有着短暂的历史 事实上，有人在中微子兄弟被发现之前，在太阳中微子问题发生之前提出了中微子振动的想法。 这个人是我们上一节提到的出生于意大利的核物理学家蓬蒂科夫。 1958年，庞蒂科夫提出了中微子和反中微子互相振动的可能性 μ子中微子被发现后，1967年，他随着时间改编了自己的推测，提出电子中微子和μ子中微子也有可能振动。 从某种意义上来说，他的这些推测可以说预示着太阳中微子问题的出现。 中微子振动必然是因为只对电子中微子敏感的中微子检测器不能检测所有中微子。 戴维斯的homestake实验使太阳中微子问题粉墨登场后，庞蒂科夫与俄罗斯物理学家格里波夫( vladimir gribov，1930-1997 )一起在第一时间再次确认了自己的推测 当然，通过改良粒子物理标准模型来处理太阳中微子问题的方案不仅仅是中微子振动，其他方案都是短命的，例如有被称为中微子衰变的方案 中微子失踪不是因为戴了其他马甲，而是因为中途死亡。 在粒子物理中，粒子的夭折有一个高雅的名字叫崩溃 遗憾的是，该方案在1987年获得了裁决性的否定证 那一年，包括神冈探测器在内的几个中微子探测器观测到了来自大麦哲伦星云( large magellanic cloud )的超新星爆炸——著名的超新星1987a——的反中微子 哪个反中微子经过近17万年的长途旅行到达地球 由于粒子与反粒子具有同样的寿命，如果从太阳到地球的短短8分20秒内中微子就会部分死亡，那么就不能观测到那么多来自超新星1987a的反中微子 因为中微子即使死了，也不会死得那么快。 中微子既然死不了那么快，就只能让方案本身早死 真正有希望的是中微子振动 那么中微子振动需要从哪里建立粒子物理标准模型呢？ 从加上中微子的质量开始 在粒子物理标准模型中，所有中微子都是无质量的 理论上可以解释为，如果所有中微子都是无质量的，就不可能发生中微子振动 因此，为了具有中微子振动，需要从添加中微子质量开始，建立粒子物理标准模型。 接下来我想知道的是中微子振动中中微子相互变化的概率满足什么样的法则。 因为只有知道这个，才能和观测作比较 简单的理论分解表明，中微子相互变化的概率与中微子的质量、能量、相互混合、飞行距离等多种因素有关。 这些相关不仅为拟合观测数据提供了多个可调节的参数，而且定性地说明了不同能量的中微子具有不同失踪比例的现象 在这两点上，那比我们前面提到的任何方案都有希望吗？ 遗憾的是那只是表面现象 后来，人们更仔细地研究了中微子振动后发现了一点问题。 例如根据计算，为了用中微子振动说明观测结果，需要假设中微子的某个参数和如日地距离那样与中微子风马牛不同的参数之间满足一定的偶然关系 这种依赖偶然的解释物理学家们本来就不喜欢。 因为这是坏兆头 如果说这是味道的问题，还有几个问题是“你死了我也活着”的水平。 例如，根据计算，中微子振动引起的中微子失踪率应该显示出明显的季节变化(这是因为中微子相互变化的概率与飞行距离有关，根据季节不同，日地距离不同)。 但是，观测未见与理论预想一致的变化。 另外，中微子相互变化的概率与能量有关的优点是定性地符合不同能量的中微子有不同的失踪比例，但定量地观测到的失踪率与能量的关联性，特别是高能量领域 这样一来，情况又差了一点 如果连中微子振动都不顺利的话，到最后一条路不是都会成为毁灭之路吗？ 幸运的是，中微子振动还有一个重要因素，起着“把狂澜拉倒”的作用。 那是物质对中微子振动的影响 我们之前说的中微子振动其实并不是指真空中的振动，但实际上，太阳中微子一出生就必须横穿数十万公里厚的太阳物质，对它们有一定的影响 有网友可能会问:“我们上一节说过太阳物质对中微子来说几乎是透明的。” 是的，我们说了。 但是，透明性并非完全不受影响，玻璃对光来说也是透明的，但会带来各种各样的光学效果 太阳物质对中微子来说也一样，是透明的，但对一定的影响，特别是对高能中微子有一定的影响 更重要的是，太阳物质对不同类型的中微子有不同的影响，对电子中微子的影响比μ子中微子和τ子中微子大，因此影响中微子的振动，特别是高能中微子的振动 1978年，美国物理学家沃芬斯坦( lincoln wolfenstein，1923-)研究了这种影响。 1985年，俄罗斯物理学家米克耶夫( stanislav mikheyev )和斯米诺夫( alexei smirnov，1951-)推进了这项研究，取得了重要结果 这种物质对中微子振动的影响因此冠以他们三个姓的首字母，被称为msw效应( msw effect ) 之后的定量计算表明，考虑到msw效应的中微子振动与所有太阳中微子观测兼容，同时是与所有观测兼容的唯一解释 但是中微子振动作为太阳中微子问题的正确答案，其真正的确立是基于更直接的实验判决 这个判决首先来自日本的超神冈探测器 1998年，超神冈探测器通过检测宇宙线在地球大气层中产生的μ子中微子和电子中微子的相对数，首次直接证实了中微子振动的存在 在太阳中微子研究中，神冈系列探测器可以说是最伟大的，占多个第一位 除了第一次直接证实中微子振动，还可以测量上一节所述的中微子入射方向这一优势(中微子振动的实证也依赖于这一优势)，而且太阳中微子成为了直接证实太阳方向的第一个探测器(这是 在上述来自超新星1987a的反中微子的探测中，它也树立了头脑的工作 sno探测器的超神冈探测器证实了中微子振动的存在，但还不足以处理太阳中微子的问题。 因为中微子振动时观测到的不是太阳中微子，而是从能量远远高于太阳中微子的宇宙射线中产生的中微子 那么，对太阳中微子问题最严厉的声音的判决是从哪里来的呢？ 来自加拿大萨德伯里中微子观测台( SudburyNeutrinoobservatory-SnO ) 这个位于等效水深6000米的观测台上使用的观测物质是1000吨的重水 这个“重水”和超神冈探测器使用的“水”只有一个字之差，但太阳中微子探测有着天壤之别 水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，但我知道重水的“重量”在哪里。 关于“重”，那两个氢原子被重氢原子置换了 氘原子的原子核是由质子和中子组成的 如果遇到这样的原子核，就会以某种概率发生所谓的中性流反应( neutral current reaction )，其结果是解离成“棒打鸳鸯”- -重质子和中子 与其他探测器依赖的反应不同，这种中性流反应对三种中微子完全相同 这是因为中微子穿什么背心都可以检测出来。 更棒的是，除了中性流反应外，中微子和重水还可以发生其他类型的反应，任何反应都和其他检测器一样，只对电子中微子敏感 因为，中微子观测台可以测量中微子总流量，明确电子中微子的比例，所以可以一边验证标准太阳模型的预言，一边验证中微子振动。 2001年，萨德伯里中微子观测台发表了观测结果，表明中微子的总流量在实验精度范围内与标准太阳模型一致，电子中微子所占比例与中微子振动的预期一致，非常美丽。 于是，太阳中微子之谜被解开，谜底变成中微子振动 在标准太阳模型和粒子物理标准模型的对决中，标准太阳模型居然胜利了，很多人打破了眼镜 之后，包括从加速器和反应堆采用中微子在内的许多其他实验进一步证实了中微子振动。 经过这种曲折的努力，我们终于完成了第八节最后阐述的为恒星核聚变理论收集进一步证据的事业，牢固地确立了这一理论 2002年，半个世纪前被评论员揶揄的“站在山顶，亲手触摸月亮”太阳中微子探测的先驱戴维斯88岁高龄，是超级神冈探测器的“头领”，日本物理学家小柴昌俊( masatoshi koshiba，1926- ) 2004年，戴维斯当时的合作者、太阳模型专家巴克尔撰写了评论太阳中微子问题的复印件 在文案的最后，他这样写道。 “回顾过去40年在太阳中微子研究行业取得的成果时，我感到吃惊。 由成千上万的物理学家、化学家、天文学家和工程师组成的国际团队使用他们的合作，统计地下矿山中充满纯液体的游泳池中的放射性原子的数量，以确定关于太阳中心的重要事实和被称为中微子的特异基本粒子的性质 如果不亲身经历太阳中微子的传说，这对我来说将是难以置信的 传说虽然闭幕了，但围绕谜底还有几个新问题。 比如中微子的质量来自哪里？ 中微子的质量是和电子等粒子的质量相同的类型吗？ 等一下。 连小中微子都有这么多奥秘，何况太阳。 这大家不要离开。 我们太阳的故事还在继续。 (本文来自澎湃信息，越来越多的原始信息请下载《澎湃信息》app )