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簡介

太陽內(nèi)部能夠產(chǎn)生中微子的幾種核反應(yīng)。從左到右分別為中微子的來源、核反應(yīng)方程、中微子的流量、能量范圍

太陽是一個天然的核聚變反應(yīng)堆，能量來源為質(zhì)子﹣質(zhì)子鏈反應(yīng)，它把四個氫原子核（質(zhì)子）轉(zhuǎn)化成α粒子、中微子、正電子和能量。這股能量透過伽馬射線以及帶電粒子和中微子的動能來釋出——它們從太陽核心到地球的行進之間并沒有受到太陽外層任何可見的吸收。

當(dāng)中微子探測器的精度足以探測從太陽來的中微子流時，所探測到的中微子數(shù)量很明顯低于太陽內(nèi)部模型所預(yù)測的數(shù)量。中微子探測數(shù)在各種實驗中為預(yù)測數(shù)的三分之一至二分之一。這個差異后來被稱為“太陽中微子問題”。

測量

雷蒙德·戴維斯和 約翰·N·巴科爾 （ 英語 ： John N. Bahcall ） 于1960年代晚期在美國南達科他州礦井中的 霍姆斯特克實驗 （ 英語 ： Homestake experiment ） 最早測量了太陽產(chǎn)生的中微子的流量，并探測到與理論值存在缺失。之后不少的放射性化學(xué)探測器和水切連科夫探測器都確認了這個缺失，當(dāng)中包括神岡探測器和伯里中微子觀測站。

太陽中微子的理論值是用標(biāo)準(zhǔn)太陽模型計算的，巴科爾曾幫助建立這個模型，它能對太陽的內(nèi)部運作給出詳細的描述。

雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊因發(fā)現(xiàn)太陽中微子數(shù)只有標(biāo)準(zhǔn)太陽模型的約三分之一而獲得了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎 。

提出的解決方案

修改太陽模型

針對太陽中微子缺失問題的早期嘗試就是提出標(biāo)準(zhǔn)太陽模型是錯誤的，即太陽核心的實際溫度和壓力與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型中的很不一樣。比方說，由于中微子測量現(xiàn)時太陽的聚變量，所以有人提出太陽核心的核過程可能曾經(jīng)有暫時停止的情況。由于熱能從太陽核心流向表面需要數(shù)以千年計的時間，因此上述情況并不是立即能察覺的。

然而這個假設(shè)被日震學(xué)和太陽熱流走向的研究進展，以及改良的中微子實驗所否決。

日震觀測使得量度太陽內(nèi)部溫度變得可行；結(jié)果發(fā)現(xiàn)實際溫度與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型一致（但是日震學(xué)卻發(fā)現(xiàn)模型中太陽結(jié)構(gòu)未解決的問題，它發(fā)現(xiàn)的不是以前“爐上的鍋”的垂直對流模型，而是對流層頂部存在水平噴流。小的就在兩極周圍，大的則延伸至赤道。跟預(yù)期的一樣，它們的速度不同。）

從較先進的中微子觀測站所得的中微子能譜也得出無法透過調(diào)整太陽標(biāo)準(zhǔn)模型來遷就的結(jié)果。實際上較低的總體電中微子流量（也就是霍姆斯特克實驗所得的結(jié)果）需要較低的太陽核心溫度。然而要符合中微子能譜的細節(jié)則需要較高的太陽核心溫度。這是因為不同能量的電中微子是由不同的核反應(yīng)所產(chǎn)生的，而不同反應(yīng)的反應(yīng)率與溫度有著不同的依附關(guān)系；而為了要符合中微子能譜某部分則必須要有較高的溫度。對其他選項的詳盡分析指出無論怎樣調(diào)整太陽標(biāo)準(zhǔn)模型都無法符合觀測得到的中微子能譜，對模型進行任何調(diào)整都會令某方面的矛盾增多 。

解決

太陽中微子問題的解決方案涉及改進對已知中微子特性的理解。根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，共有三種中微子：

電中微子（這就是太陽所產(chǎn)生的中微子，以及上文所提到的實驗所探測的中微子，特別是霍姆斯特克的氯探測器）

μ中微子，以及

τ中微子

物理學(xué)家在整個1970年代都普遍認為中微子不具有質(zhì)量，而且它們的種類是不變的。然而布魯諾·龐蒂科夫于1978年提出若中微子具有質(zhì)量的話，它們就能轉(zhuǎn)換種類 。因此，“消失了的”太陽中微子可能在來地球的途中轉(zhuǎn)換成其余兩種的中微子，因此逃過了霍姆斯特克和其他現(xiàn)代中微子觀測站的探測。

超新星1987A為中微子是否具備質(zhì)量提供了線索，這是由于中微子到達神岡探測器和 IMB探測器 （ 英語 ： Irvine–Michigan–Brookhaven (detector) ） 的時間有所不同 。但是由于偵測到的中微子事件非常少，所以很難就此蓋棺定論。除此以外，若神岡和IMB探測器安裝了精密計時器，就能記錄中微子從爆發(fā)至穿過地球之間的時間，從而可以更絕對地確立中微子是否具備質(zhì)量。若中微子不具有質(zhì)量，則會以光速行進；若它們具有質(zhì)量的話，它們的行進速度則會比光速稍慢。由于探測器原本并沒有打算觀測超新星中微子，因此并沒有安裝上述儀器。

日本的超級神岡探測器于1998年首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù) 。它們的觀測結(jié)果表明μ中微子（由太空射線轟擊大氣層頂層而成）轉(zhuǎn)換成了τ中微子。它所證明的是通過地球后被探測到的中微子比直接從探測器上方來的要少。不但如此，他們的觀測只關(guān)注由太空射線與地球大氣層相互作用而成的μ中微子。超級神岡探測器并沒有觀測到任何的τ中微子。

令人信服的證據(jù)來自加拿大的伯里中微子觀測站于2001年發(fā)表的測量結(jié)果。它探測到了太陽發(fā)出的全部三種中微子 ，由于它是唯一一個使用重水作為探測介質(zhì)的探測器，因此它還能夠分辨出電中微子及其余兩種中微子（但卻不能分辨μ中微子和τ中微子）。大量的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)到來的太陽中微子之中35%是電中微子，其余為μ或τ中微子 。三種中微子的總流量與之前從太陽內(nèi)部聚變反應(yīng)核物理而來的預(yù)測相當(dāng)一致，解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。

為了表彰1998年和2001年進行的中微子振蕩實驗提供的確鑿證據(jù)，從超級神岡探測器的梶田隆章和從伯里中微子觀測站的阿瑟·麥克唐納被授予2015年諾貝爾物理學(xué)獎 。

參考文獻

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^ Webb, Jonathan.Neutrino "flip" wins physics Nobel Prize. BBC News. 6 October 2015 [ 6 October 2015] .

相關(guān)條目

太陽中微子

中微子振蕩

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