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中微子丢失之谜与中微子振荡

宇宙中的中微子数量巨大，且无所不在。每秒钟通过我们眼睛的中微子就数以亿计。中微子是通过各种各样的途径产生的。宇宙大爆炸、超新星爆发、恒星内部的核反应、高能宇宙线与地球大气分子发生碰撞、地球上的物质自发或诱发衰变等都会产生中微子。不同途径产生的中微子，其能量不同。40多年来，科学家使用不同的探测器对各能量级的中微子进行测量。

1968年，戴维斯等人在美国南达科他州胡姆斯塔克（Homestake）的地下金矿中建造了一个大型中微子探测器，利用巨桶中的615吨四氯乙烯液体来捕捉钻入地下1500米深处的中微子。实验发现，探测到的来自太阳的中微子只有标准太阳模型的预测值的1/3，被称为“太阳中微子丢失”之谜。这实际上是人类第一次观测到与中微子振荡有关的现象，但当时还无法对其进行解释。

中微子振荡是一个有趣的量子力学现象，起源于微观粒子的波粒二象性。1957年，理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）提出猜想，认为特定味的某一种中微子可以转化为不同的味。人们所探测到的中微子可能处于哪个味，由其传播中不断改变的波形决定。打个简单的比方：让我们想象一个不断摆动的单摆，在摆动的同时这个单摆整体还在进行直线运动。单摆摆动的2个最高点可以比作中微子的2个不同的味，一边前进一边摆动的单摆就像一边飞行一边在2个味之间振荡的中微子。当中微子被我们探测到时，它会处于哪一个味？就相当于说，当单摆前进到空间某一点时，它会摆到哪一个点？这就与其振荡周期和飞行距离等有关了。

1982年，小柴昌俊在日本一个深达1000米的废弃砷矿中领导建造了神冈探测器。20世纪90年代，神冈探测器经过改造，名为超级神冈探测器（Super-Kamiokande），容量扩大了10倍，其主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，装着5万吨高纯水，内壁上安装有11200个光电倍增管。它能利用中微子在水中产生的切连科夫辐射（Cherenkov Radiation）来探测中微子，并且测量其入射方向，研究中微子缺失问题。切连科夫辐射是介质中物体的运动速度超过该介质中的光速时，介质中的极化电流发出的一种电磁辐射，其特征是蓝色辉光。针对切连科夫辐射设计出的探测器可以检测辐射的强度和方位，从而探测出高能粒子及其入射方向。

图：超级神冈探测器内部

1998年，小柴昌俊的学生们发表了超级神冈实验的大气中微子测量结果，给出中微子振荡的首个确切证据，认为中微子在3种不同味之间是可以相互转换的，这也表明中微子是有质量的。他们探测了宇宙线与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的μ中微子。实验发现，从上方进入探测器的大气中微子和从地球另一面产生、穿过整个地球后从下方进入探测器的大气中微子存在数量上的差异，且都少于理论值。经过分析和计算，他们推断一部分大气中微子产生后，在到达探测器的途中发生了振荡现象，即从μ中微子转变为检测不到的τ中微子，且转变的比例与中微子走过的距离有关。

2001年，加拿大萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory，简称SNO）的探测结果证实了太阳中微子在到达地球途中发生了振荡。SNO位于加拿大安大略省2000米深的镍矿中，主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1000吨重水（D₂O）。科学家们研究发现，当中微子碰到重水的原子核后会弹开，然后再碰到另一个重水的原子核时会与之反应，变成氚的原子核，同时放出γ射线。因为所有3种中微子都会发生这样的反应，所以只要探测γ射线的数量，就可以知道中微子的总量。这是科学家首次找到同时测出所有3种中微子的方法。根据SNO的测量结果，3种中微子的总流量与标准太阳模型的预言相符合，这就解释了太阳中微子丢失之谜。如果有一束纯的电子中微子在太阳内部产生，那么当它达到地球时，其中的一部分就会通过振荡变为μ中微子和τ中微子。

2001年，日本东北大学的铃木厚人（Atsuto Suzuki）教授领导建成了KamLAND探测器。这是世界上最大的液体闪烁探测器，可以测量周围180公里内日本和韩国20多个核电站反应堆产生的中微子。KamLAND还可以探测太阳中微子、地质中微子、超新星中微子等。2002年，他们发现，约40%的反应堆中微子丢失了。而反应堆产生的反电子中微子和太阳产生的电子中微子种类相同，因此这也印证了太阳中微子振荡的现象。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）