超有“魅力”的基本粒子，引發(fā)一樁失蹤迷案？

中微子可能是最有魅力的基本粒子了，從它被提出來為止，就不斷的刷新人類的認知。甚至至今還有諸多關(guān)于中微子的謎團沒有解開。今天我們來說其中一個。

每時每刻都有大量的中微子從我們的身體穿過，這些中微子最大的來源是哪里呢？就是太陽。太陽是一個巨大的核聚變反應(yīng)爐，通俗的說太陽就是一個一直在爆炸的氫彈。太陽上發(fā)生的聚變反應(yīng)每秒鐘要消耗6.2億噸的氫，在這個過程中就會產(chǎn)生大量的中微子。我們可以根據(jù)太陽的理論模型粗略計算出它大概產(chǎn)生中微子的數(shù)量，而奇怪的是，我們實際通過實驗探測到的中微子數(shù)量僅僅是理論值的三分之一，這件事在當(dāng)時被稱作“太陽中微子失蹤之謎”。

具體人們是這樣發(fā)現(xiàn)的，70年代的時候人們發(fā)現(xiàn)雖然中微子幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但是還是有東西能和中微子反應(yīng)的，就是氯37，中微子可以和氯-37發(fā)生反應(yīng)生成氬-37和電子，而氬又是惰性氣體。這件事兒給了當(dāng)時一個人靈感，這位叫做戴維斯，美國物理學(xué)家。戴維斯決定用四氯乙烯作為探測介質(zhì)，四氯乙烯是清洗劑的主要成分，一般干洗店會用這個，有刺激性甜味易揮發(fā)，濃度高了能中毒，致癌。當(dāng)時戴維斯大批量采購四氯乙烯的時候人家還以為他要開洗衣店呢。實驗室在美國霍姆斯特克金礦，在地下1500米深的礦井中建了一個實驗室，配比了600多噸四氯乙烯溶液，只要有氯變成氬了，也就有氣體生成了，就會有一個小氣泡冒出來，從而就可以證明有中微子和氯元素發(fā)生了碰撞，但還是那個原因，中微子碰撞的概率太低了。所以戴維斯在地下礦坑中一待就是30多年，這30多年也僅僅探測到了大約2000個中微子。但正是這2000個中微子的數(shù)據(jù)人們發(fā)現(xiàn)了“太陽中微子失蹤之謎”，實在是不容易。

還有一位來自日本的物理學(xué)家叫做小柴昌俊，他是在日本的一個1000米深的礦坑里做的實驗，使用了5萬噸純水和1萬多個光電倍增管，當(dāng)中微子和純水里的原子核發(fā)生碰撞的時候，就會發(fā)出淡藍色的光輝，這個現(xiàn)象叫做切連科夫輻射。然后用探測器來檢測這個微弱的藍光，只要檢測到了，就說明有中微子發(fā)生了碰撞。這個概率依舊很低，但小柴昌俊比戴維斯要幸運很多，他的實驗是在1986年底正式開始的，到了1987年初1987年2月24日，發(fā)生了一件事，大麥哲倫云中的一顆超新星爆發(fā)了，這是自1604年開普勒超新星以來觀測到的最亮的一次超新星爆發(fā)，帶來的電磁輻射甚至能夠照亮整個星系，一般都會持續(xù)幾周或者幾個月。1987年的這顆超新星被很多天文學(xué)家觀測到了，這就是小柴昌俊的幸運，那天他突然發(fā)現(xiàn)自己的神岡實驗室里探測到了大批量中微子，說是大批量其實就13個，但是比平時偶爾的一兩個多了好多倍！感覺就不對，果不其然，過了三個小時有人來電話說是大麥哲倫云的一顆超新星爆發(fā)了。這種感覺絕對是無比奇妙的，這顆超新星距離我們16.8萬光年，也就是說小柴昌俊探測到了至少來自16.8萬年以前產(chǎn)生的中微子！

2002年的諾貝爾物理學(xué)獎決定把本年的諾獎頒發(fā)給戴維斯和小柴昌俊，02年戴維斯已經(jīng)88歲了，而小柴昌俊也已經(jīng)76歲了。根據(jù)這二位實驗數(shù)據(jù)，都證實了“太陽中微子失蹤之謎”，也就是來自太陽的中微子莫名其妙的少了三分之二，他們?nèi)ツ牧四兀窟@個問題的答案直到近幾年才給出，人們發(fā)現(xiàn)中微子不只一種，有三種，分別是電子中微子、繆子中微子以及陶子中微子。戴維斯和小柴在實驗中所探測到的只是電子中微子，自然就少了三分之二。而且這三種中微子還可以隨著時間相互轉(zhuǎn)化，這個過程叫做中微子振蕩。如果中微子能夠發(fā)生振蕩那它就必須得有靜質(zhì)量，所以近年來很多物理學(xué)家都在研究這個課題。最先通過實驗證明了中微子振蕩的人就是小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章，實驗地點就是當(dāng)年小柴昌俊所使用的神岡實驗室。另外一位物理學(xué)家是加拿大的阿瑟·麥克唐納，他和梶田隆章二人因為在實驗中發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，因此證明了中微子具有質(zhì)量，共同獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎。目前最先進的中微子觀測站位于南極的冰層之下， 叫做冰立方IceCube，于2010年12月8日建造完成，2018年7月12日，冰立方中微子天文臺宣布第一次成功確認高能宇宙中微子的來源，人類探測到了一個來自37億光年之外發(fā)射過來的中微子。這也是人類歷史上第一次使用中微子探測器來定位太空中的物體。

然而關(guān)于中微子還有眾多謎團沒有解開，比如說有沒有第四種中微子？中微子的反粒子是其本身嗎？也就是中微子是馬約拉納粒子嗎？中微子是暗物質(zhì)嗎？等等。這些謎團就需要我們慢慢等待答案了。

作者：媽咪說 科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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