[太阳系] 中微子失踪案

  太阳内部究竟是什么样子?


  恐怕谁都不能完全说清楚.因为,人们平常对太阳的观测,不论用的是什么手段,不论是可见光还是射电波、紫外线、X射线等,基本上只能看到它的表面和大气中的一些现象.日震为我们提供了太阳内部的部分信息,但这种信息很有限,而且也不能深入到太阳最核心的部分.


  中微子,这种物质结构中的基本粒子之一,向科学家们伸出了支援之手.


  中微子是什么样的东西呢?它哪来那么大的本领?


  我们知道,小到纸张、铅笔,以及塑料、橡皮、布匹等等,都是由无数分子组成的,而分子一般则是由两个以上的不同化学元素的原子组成,譬如,我们生活中不可缺少的水,就是由氢原子和一个氧原子合在一起组成的.


  那么,原子是由什么东西组成的呢?是由比它还要小得多的基本粒子组成的.到目前为止,已经发现了好几十种基本粒子,如光子、电子、质子、中子等,中微子是其中的一种.


  中微子的存在早在本世纪30年代初就有人提出来了,20多年后从实验中得到证实.中微子是一种性质很特别的基本粒子,它的质量小得不能再小,几乎快接近于零了.它不带电,也不与一般物质打"交道",是个脾气孤僻又很难跟它"对话"的家伙.


  有意思的是,太阳中心在热核反应过程中,却产生出大量的中微子,每秒钟约200万亿亿亿亿个.由于们对别的物质概不理睬,势必就浩浩荡荡迅速穿过太阳内部各层,直奔空间,其中一部分就直奔地球而来.根据理论来推算,每秒钟、每平方厘米的地面上大概落下600亿个中微子,我们的头顶上要承受多少中微子的袭击呀!比雨点密了多少倍呀!不过,我们一点都不必担心,中微子的质量实在是太小太小了,我们对它没有丝毫的感觉,也不


  会受到它任何的伤害.


  从太阳核心部分来的中微子,必然带着核心部分的宝贵信息,如此大量的中微子亲临地球,向人类报告太阳内部的温度、压力、密度和各种物理状况,这对人类来说,真是"踏破铁鞋无觅处"的绝好机会.


  设置陷阶


  知道有大量中微子来到地球上,那还是比较容易的,真正要抓住它们,哪怕是只抓住少数"代表",就不那么容易了.为了排除一切干扰,包括避免由宇宙线产生的中微子混进来"捣乱",英国布鲁克黑文实验室的戴维斯等科学家,于1955年布置了一个特殊的陷阶,像捕捉野兽那样,等待中微子来自投罗网.他们的陷阱是个大容器,装下了39万升(开始实验时只装了3900升)、重600吨的四氯化二碳溶液.容器安置在一座报废了的在地面下1500多米深的金矿矿井里.这对中微子来说是无所谓的,因为它不会与别的物质发生作用,钢筋水泥、铜墙铁壁、上层岩石都挡不住它,它会轻而易举地直接来到矿井,穿透容器壁,而与溶液发生作用.


  从计算情况来看,大体上1800亿亿亿亿个化学元素氯的原子,平均可以在一秒钟内抓到一个中微子,而溶液中大致有200多万亿亿亿个氯原子.这么算起来,戴维斯等人布置的陷阱每天只能落进去1.1个中微子,可说是不多.我们把一件很困难完成的事比作是大海捞针,逮中微子比大海捞针还难得多.


  结果怎么样呢?


  莫名其妙的案情


  经过10多年的探测,有了初步结果,"中微子被逮住了"的消息不胫而走,立即轰动了全世界.天文学家们为抓获了直接从太阳核心部分来的物质而兴高采烈,并寄予很大希望.可是,好景不长,戴维斯等很快发现,实验结果与理论推算不符合.原本希望每天能捕捉到1.1个中微子,实际情况却有很大出人.1973年的实测结果是每5天"捉"到1个中微子,有时候则是接连好几大1个中微子的影子都不见.1978年得出的结果是,平均2.3天得到1个中微子.大体说来,中微子的探测值只是理论值的1/3,两者相差颇多.


  其余的中微子哪里去了呢?


  戴维斯及其合作者对陷阱和实验步骤的全过程作了反复的推敲和考察,认为容器、溶液和整个实验工作是无可指责的.这意味着中微子理论确实出现了"危机",这就是直到现在仍使科学家头痛的中微子"失踪"案.


  奇怪,太阳中微子哪里去了呢?


  人们因此而受到启发,认为中微子的失踪至少反映出三个方面的问题:(1)也许我们对于太阳内部构造,处于特殊状态下的物质性质,了解得太少了,甚至有严重缺陷和错误,应该重新掌握大量第一手资料,建立更加符合实际情况的理论模型.


  (2)也许我们已经建立起来的热核反应的理论有问题,尤其是在太阳内部的具体条件下,中微子的产生理论和机制可能都有误,需要重新考虑,也许就根本没有产生出那么多中微子.


  (3)对中微子本性的了解,对中微子在从太阳到地球的过程中某些性质是否会改变等,在认识上也许都还存在不少问题.


  可疑的踪迹


  为了解释观测与理论之间的矛盾,科学家们从不同的角度提出的假说已达好几十种.下面是其中的几个例子.


  太阳内部重元素的含量,现在一般都定为2.5%.如果这个比例能降低到0.1%的话;如果太阳内部的自转比表面快得多,中心部分的自转比表面快两倍的话;如果太阳核心部分的磁场特别强的话;如果太阳中心有个半径只有几厘米而质量达到太阳的十万分之一的微型黑洞的话;……太阳中微子的理论值就会比现在所认为的小得多,它就能与观测值比较符合.


  这类"如果"还可以举出一些,但是,不管情况究竟怎么样,是否有点道理,它们给人的感觉是:假说都是为了适应观测值的需要,而特意生搬硬套地"制造"出来的,不能解决什么根本问题.


  有人将太阳中微子的"失踪",跟太阳耀斑联系在一起;也有人认为,太阳中微子流的数量随时间而变化,可能与太阳活动存在着一定的关系.


  有人主张太阳的组成成分、中心温度,与传统的认识也许有所不同,正是这些因素影响着中微子数目的多少.


  有人指出,应该重新测定中微子的质量,也许能从这里找到中微子"失踪"案的答案.几乎已成定论的太阳核心热核反应过程,也许事实上并不完全是那样.再说,中微子从太阳飞到地球的8分多钟时间内,在奔走了15000万公里之后,它本身会不会表现出"疲劳"而变得"衰弱"些呢?


  总而言之,已经提出来的假说真是五花八门,但都不成熟.看来,最好的办法莫过于继续加强观测和实验,进一步搜集和掌握更多的有说服力的第一手资料.


  戴维斯的实验没有取得预期的结果.他失败了,但并不灰心,他准备建立一个灵敏度更高的"陷阱",来捕捉更多的中微子.日本神冈的中微子监测器已开始运转了好几年;前苏联北高加索地区匹克桑河床下面的地下实验室正在进行一项非常重要的实验,它能探测到的中微子范围比前面介绍的美国和日本的要广得多;意大利罗马附近大萨索山地下实验室和加拿大的、布


  置在深2000多米镍矿井中的中微子实验室,也都分头积极进行各具特色的实验.


  我们相信,总有一天太阳中微子之谜会被揭穿,"失踪"案最后会水落石出.


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