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黑夜里的中微子
美国物理学家雷蒙德·戴维斯位于日本的Super-K 中微子探测器
人们对于夜晚寄托了如此之多美好的感受,在黑夜中,人的感官似乎也变得更加敏锐,而物理学家们最近发现,在黑夜里,就连被人深埋在地下的中微子探测器似乎也更加灵敏,能够探测到比白天更多的来自太阳的中微子信号。这些中微子携带着太阳内部的信息,这让人意识到,我们也许可以利用黑夜的便利来探测太阳内部的秘密,甚至是地球自身的情况。
中微子算得上是迄今为止给人类带来困惑最多的基本粒子。在20世纪50年代中微子被发现之后,人们一度认为它没有质量。这种不可被破坏的基本粒子如同鬼魅一般,几乎不与其他物质发生相互作用,因此也极难于探测。正是因为如此,虽然每秒钟都会有来自太阳的数以千亿计的中微子穿过我们的身体,但是我们对此毫无知觉。
研究来自太阳的中微子的性质非常重要,因为中微子是太阳内部发生核聚变的产物之一,太阳无时无刻不在向外大量地辐射中微子,其中有一部分到达了地球。深入研究太阳中微子可以使人们更细致地理解在太阳内部发生核聚变的情况。
1968年,美国物理学家雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)在研究太阳中微子时发现,地球上观测到的来自太阳的中微子数量只是理论计算数值的三分之一左右,这被媒体称为“太阳中微子之谜”。究竟是理论计算出了错误,还是中微子的探测实验设置失误,或是中微子还有不为人所知的其他性质,这个疑问直到2001年才被解开。一组由加拿大、美国和英国科学家组成的研究小组通过对比位于加拿大的SNO中微子探测器和位于日本的Super-K中微子探测器的数据,发现SNO探测器探测到了理论数值三分之一左右的中微子,而Super-K探测器则探测到相当于理论数值的一半左右的中微子。这个差别就来自于Super-K探测器不光可以探测到太阳内部通过核聚变产生的电子中微子,还可以探测到另外两种更加难于探测的中微子:tau中微子和muon中微子。太阳内部产生的中微子总数与人们此前通过理论计算所得的数值相符,但是在这些电子中微子飞往地球的途中,一些电子中微子因为转变为另外两种中微子而无法被SNO探测器所探测到,而其中的一些则被Super-K探索器所捕获。这使人们认识到了中微子振荡现象,也让人们认识到中微子实际上具有极其微小的质量(雷蒙德
·戴维斯在2002年因为对中微子的研究而获得诺贝尔物理奖)。
如今,这个被深埋在日本中部地下1000米的Super-K探测器在中微子探测领域仍然发挥着重要作用。因为中微子极少与其他物质发生相互作用,所以中微子探测器都极为庞大。Super-K探测器主要由12层结构,总共5万吨水,。这样,当太阳中微子与探测器中的水发生相互作用,就可能产生光信号,进而被光电倍增管所探测到。电子中微子是最容易被探测到的中微子类型,它比tau中微子和muon中微子被探测到的概率高出6倍,尽管如此,Super-K探测器每天也只能探测到1到2个中微子的信号。
那么,从长期的数据来看,Super-K中微子探测器的探测数据在白天和晚上有什么区别?来自美国加州大学欧文分校的物理学家安德鲁·伦肖(Andrew Renshaw)分析了这个探测器18年来的探测数据之后,通过统计手段发现,