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有关突变中微子的最新数据解决了太阳中微子问题

加拿大安大略省萨德伯里市附近一座镍矿下的地底深处有一个球形容器盛了上千吨的超纯重水，不久前这一大团重水内部出现的一些意味深长的闪光，解开了一个持续33年的谜团。2001年6月，萨德伯里中微子天文台（SNO）合作项目宣布，有确凿的证据表明，像幽灵般难以捉摸的粒子（即中微子）再从太阳飞向地球的途中变成另一种中微子。这一结果令天体物理学家们大大松了一口气，因为此结果表明，他们的精密的太阳模型并不存在潜藏的重大错误，同时，这个结果也为粒子物理学家们应该如何发展他们心爱的——但尚不完整的——粒子物理学标准模型提供了进一步的线索。

1968年，首次统计太阳中微子数目的实验发现，太阳中微子的数量不到理论预期值的一半。这个被称为太阳中微子问题的谜团自那以后就一直困扰着物理学家。30年的试验工作以及理论上的改进只是进一步证实了预期值与实验结果之间的差异的确是存在的。

SNO项目的独特之处在于，它使用重水（重水中含有氢的同位素氘）来观测中微子（中微子用希腊字母V表示）。日本神冈有一台类似的中微子探测器，称为“超级神冈探测器”（Super-kamiokande），它用普通的水来进行中微子数量的观测已有大约5年。超级神冈探测器的实验小组成员、波士顿大学的EdwardKearns解释道，“虽然SNO的规模比神冈探测器小10倍，但由于氘的反应相当强，因此SNO所探测到的总的事件发生率与神冈探测器不相上下。”

然而，比总数更重要的是，SNO能够观测到多种相互作用，这就使SNO探测器拥有新的手段去区分不同种类(即不同味)的太阳中微子。无论是在重水还是在普通水中，中微子在与电子碰撞后都可以使电子以极高的速度在重水或普通水中运动，发出一种称为“切伦科夫辐射”的闪光。但是这类电子散射可以由3种中微子味(即τ子中微子、μ子中微子和电子中微子)中的任何一种引起(太阳的核反应只产生电子中微子)。SNO的重水能够识别出电子中微子，因为只有电子中微子能够被氘核所吸收，使氘核转变为以极高的能量飞散开的两个质子和一个电子。

SNO统计的电子中微子的数量少于超级神冈探测器所探测到的各种味的中微子总数。因此，结论就是，太阳的电子中微子有一部分转变成了μ子中微子或τ子中微子。由于μ子中微子和τ子中徽子散射电子的效率远远低于电子中微子，因此，超级神冈探测器所探测到的散射过量虽然不大，但也相当于有数目很多的μ子中微子或τ子中微子经过该探测器，来自太阳的电中微子有三分之二在到达地球的时候已经转变成了μ子中微子或τ子中微子——恰好与根据太阳模型所作出的预测完全吻合，SNO项目的负责人Arthur B，McDonald说，这一结果“非常有力地证明我们对于太阳如何产生能量的问题有高度准确的认识。”

中微子味的变化(或振荡)只能发生在质量不相等的中微子味之间。实质上，质量的微小差异使两种不同味的量子波彼此之间忽而同步、忽而不同步地振荡下去，就像两个彼此相近的音调产生节拍一样，如果每一节拍的峰对应电子中微子，那么每一节拍的谷就对应于比如说μ子中微子。这类振荡之确尚证据最初是l998年超级神冈探测器在对高能宇宙线中微子进行考察时发现的。

在最简单的粒子物理学标准横型中，中微子是无质量的，并且不能振荡。大多数理论家都认为中微子的质量要用取代标准模型的任何一种理论来解释。中微子的质量极其微小。根据SNO的观测结果，再结合其它的数据，可以确定所有三种中微子味的质量还不到次轻的粒子——电子的质量的18万分之1。

SNO的结果使关于所谓“无效中微子”(sterile neutrino)——理论上假设的第四种奇特的中微子味——的推测更加站不住脚。SNO和超级神冈探测器的全部观测数据都可以用电子-μ子-τ子中微子振荡来解释。McDonald指出，无效中微子的贡献还没有被完全排除，“但是无效中微子所占的比例预计不大。”

SNO实验还将再进行若干年从今年6月起，SNO探测器的重水中加入了超纯的盐(氯化钠)，氯化钠中的氯原子大大增强了对中子的探测。(当中微子没有被氘核吸收而是将氘核一分为二时，就产生了中子。)对这些反应的精确计数应该得到有关中微子的更诱人的结果。

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今后几个月中SNO的研究人员将进行下列工作：

确定太阳中微子的震荡程度是否隔一天中的不同时刻以及不同的季节而变。这类变化起源于中微子穿越地球时所产生的额外振荡，或者是因为地球到太阳的距离发生改变（超级神冈探测器无法识别出这些变化）。

观测振荡是否与中微子的能量有关。这方面的数据将进一步限制中微子的质量范围以及所谓的“混合角”（mixing angle，它确定了能够发生多大程度的震荡）的范围，从而可能排除某些震荡理论。

【杨海／译 向俊／校】