互动科普

对于地球上的生物而言，温暖而明亮的阳光是不可或缺的生命线。太阳为什么能够发光发热？这个古老的问题直到20世纪30年代末才得以回答。美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）在1939年指出，太阳之所以发光发热，原因在于太阳中心不断发生从氢核到氦核的聚变反应。根据这一理论，在太阳内部每4个氢核（即质子）转化成1个氦核、2个正电子和2个神秘的中微子，同时释放出26.73兆电子伏的能量。后者就是光和热的源泉，其中的一小部分最终以阳光的形式到达地球，从而哺育了地球上的万物。但要证明这一物理图像的正确性并不容易，因为该核聚变的产物氦核和正电子无法从致密的太阳中心逃离，人们在地球上无法观测到它们。只有中微子可以轻而易举地逃离太阳中心，先到达太阳表面，再进而到达地球。

中微子不带电荷，质量极其微小，而且与物质的相互作用极其微弱。尽管中微子在宇宙空间的数目极其巨大，但我们的身体却感受不到它们的存在。基于标准太阳模型的预言，每秒钟到达地球每平方厘米表面的太阳中微子数目大约为1000亿个，但其中只有1个会在穿过地球时与物质发生相互作用。正是由于中微子与其他粒子相互作用的概率微乎其微，它们才得以从太阳内部逃逸出来并直接带给我们关于太阳内部核反应的宝贵信息。

从1964年开始，美国科学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）利用盛满纯四氯乙烯的巨型容器作为探测器，测量太阳中微子与氯元素发生反应所释放出来的氩原子。1968年，戴维斯公布了既令人惊喜又令人惊异的实验结果：他看到了来自太阳的电子型中微子，但后者的通量只有约翰·巴考（John Bahcall）所做的理论预言的1/3。这就是著名的太阳中微子失踪之谜。解决这个问题的最佳方案是中微子振荡，即中微子在从太阳中心飞行到地球的过程中发生了变化，从电子型转化为探测器无法捕捉到的μ子型和τ子型，因此戴维斯测得的电子型中微子数目小于标准太阳模型的理论预期值。

图. 陈华森

为了以一种模型无关的方式证明太阳中微子的失踪确实源于中微子振荡效应，美国加州大学尔湾分校的华人科学家陈华森（Herbert Hwa Chen）在1984年提出了一个匠心独具的实验方案：利用重水作为靶材料，可以同时测量电子型中微子与重水中的氘核发生的带电流相互作用、三种类型的中微子与氘核发生的中性流相互作用以及三种类型的中微子与重水中的电子发生的弹性散射过程。假如发生在太阳中心的核聚变所产生的电子型中微子从太阳内部到达地球探测器的途中没有发生任何异常，那么通过上述三种不同的反应所测得的太阳中微子通量就应该彼此相等。一旦电子型中微子在传播过程中转化为μ子型和τ子型中微子，那么参与中性流相互作用、弹性散射过程和带电流相互作用的中微子通量将依次递减。基于陈华森的想法，旨在探测太阳中微子的SNO合作组于1984年成立，由陈华森和加拿大女王大学的乔治·尤恩（George Ewan）分别担任美、加双方的发言人。1987年11月7日，陈华森因白血病医治无效不幸逝世，接替他担任美方发言人的是普林斯顿大学的加拿大籍科学家亚瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）。1989年，麦克唐纳接受了女王大学的教职，成为SNO合作组名副其实的领导人。SNO实验利用了从军方租借的1000吨重水作为靶物质，其探测器放置在加拿大南部城市萨德伯里地下2000米深的矿井中。2001年，SNO合作组成功地测量了太阳中微子在上述三种不同反应过程中的不同通量，证实了电子型中微子的大部分在传播过程中转化成了μ子型和τ子型中微子，于是令人信服地破解了困扰科学家33年之久的太阳中微子失踪之谜。

SNO实验的成功不仅将戴维斯送上了2002年度诺贝尔物理学奖的领奖台，而且也让麦克唐纳荣获了2015年度的诺贝尔物理学奖。假如陈华森能够活到今天，那么诺贝尔奖的殊荣很可能会非他莫属。这位1942年3月16日出生于重庆的华人物理学家可谓命运多舛。他在少年时代以难民的身份移居美国，依靠奖学金完成了学业，获得加州理工学院的学士学位和普林斯顿大学的博士学位。毕业之后，陈华森执教于加州大学尔湾分校，他的研究兴趣也从理论转向实验。1987年，年仅45岁的陈华森与世长辞。在破解太阳中微子失踪之谜的“战役”中，英年早逝的陈华森可谓出师未捷身先死，令后人唏嘘不已。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）