书城科普青少年应知的100个天文学常识
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第42章 太阳中微子失踪案

太阳的热核反应中,会产生一种粒子,它能够穿过太阳物质的重重阻挡,顺利地从中心来到表面,这种粒子就是中微子。每当两个氢核发生聚变时,就会释放出一个正电子和一个中微子。正电子很快和一个负电子结合并产生一个光量子,而中微子不和任何其他粒子反应,因而它不被任何物质偏转,它从产生地以光速沿着直线飞出去,周围的太阳物质对于中微子毫无影响。为了躲避一个朝我们飞来的中微子,我们需要躲在一堵墙的后面,这堵墙的厚度若是以千米为单位,那么需要用一个15位的数字来表示。幸运的是,我们不需要对中微子进行防护,因为当它们穿过我们时,不会损伤身体的任何一个原子。

太阳中产生中微子的反应有好几种,它的辐射总能量中,有30%是以中微子形式发射的。每1 000亿个中微子中也只有一个会被太阳物质吸收或散射,其余都跑到外面来了。地球对于中微子更是透明,即使1 000个地球排成行也挡不住它的去路。

从理论上说,太阳内部每秒钟大约产生2×10+{38}个中微子,在地球附近中微子的流量大约为3.5×10+{12}个·厘米+{-2}秒+{-1}。如果有某种实验方法能在地面上捕获到中微子,并且与理论计算值相符,则可更好地证明发生在太阳内部的质子—质子反应是存在的。如何来探测这种幽灵般的粒子呢

早在20世纪40年代就有人提出了一种探测中微子的方法。那是利用氯的一种稳定同位素氯37的性质,该同位素在吸收一个高能中微子后,会发射出一个电子而变成氩的同位素氩37。这是一种放射性同位素,通过对它的测定,就可以计算出中微子的数量。一个氯原子要吸收一个中微子,必须等上10+{30}年以上的时间,但我们可用大量的氯原子来吸收中微子。有了思路,接下来就是利用这种思路去进行实验了,在这方面做出贡献的第一位科学家就是戴维斯。

一个中微子可使一个氯原子变为氩原子,同时产生一个电子戴维斯想出了下面这样一个实验。为了防止干扰,他将390 000升的四氯乙烯灌入在地下1 500米深处的一个用很厚的水层包围的池子里。四氯乙烯是清洗工业中一种主要液体,它和四氯化碳是近亲。这种清洗液的每个分子中含有4个氯原子,其中平均有一个是对中微子敏感的同位素Cl+{37}。用这种液体灌入是将大量氯原子集中到一个很小的体积内的最经济和最方便的办法。氯原子在每一瞬间都被来自太阳的中微子照射。通常不会发生什么情况,因为无数个由质子—质子反应产生的能量较低的中微子可以毫无阻挡地穿过这池子,只有在硼衰变时产生的高能量的中微子才有某种可能被捕获。如果用天体物理学家的太阳模型估算高能量的中微子数目,那么平均每天在这个池子里将有一个氯原子被一个中微子转化为氩原子。

如果等上好几天,就会有很多氩原子形成。但是氩原子经过35天以后又会发生衰变,重新变为氯原子。如果将这种液体长期地置放在能够穿透一切的太阳中微子流中,便很快可以建立起一种平衡:平均来说产生和衰变的氩原子数目是相等的。不过很遗憾,由此得到的氩原子的浓度极低。假如太阳模型是正确的,则整个池子大约只有35个氩原子。

中微子实验的结果出乎人们的意料。实际测得的中微子数量不足理论模型计算值的1/3。这就是所谓的“中微子失踪案”。上述理论与实验之间的矛盾,是反映了我们对太阳核心区的能量产生过程没有认识清楚,还是反映了我们关于原子核或中微子物理过程的认识不正确呢或者,是因为我们的测量方法、技术不完善吗这都是太阳的不解之谜。

尽管对中微子失踪的解释多种多样,但最主要的主张有两派。一派认为,太阳内部确实产生了理论预言那么多的高能中微子,只是在它飞向地球而被探测出来的过程中,以某种方式损失了一部分。另一派认为,太阳内部根本没有产生过理论预言那么多的中微子,我们对太阳中核反应过程的理论有问题。甚至有人认为中微子的静止质量不等于零,这样也能做出合理的推测。

现为美国宾夕法尼亚大学物理学和天文学系教授的戴维斯,因在探测宇宙中微子领域做出的先驱性贡献,而获得了2002年度的诺贝尔物理学奖。诺贝尔委员会称他的工作相当于“在撒哈拉沙漠中寻找一粒有用的沙子”。

先撇开“中微子失踪案”不管,戴维斯的实验至少能够给我们这样一点启示:那就是科学研究中没有什么不可能的事情。610吨液体中寻找35个氩原子,或者说在撒哈拉沙漠中寻找一粒有用的沙子,看来没有任何可能性的事情最后还是被圆满实现了。所以,当我们面对一个挫折时,一定要提醒自己没有什么不可以的事情,坚持了下来也就可能获得胜利!