中微子是非常狡猾的小粒子,它們比任何人想象的都要狡猾和陌生。當來自太陽的一堆中微子消失了,科學家揭開了發(fā)生在它們身上最奇怪的特征之一。
1960年代后期的美國南達科他州,位于西半球最大的金礦地下一英里處,一個男人傾倒了十萬加侖的干洗液。顯然,他正在研究中微子。那個人就是雷·戴維斯,他和他的團隊建立了一個實驗來測量來自我們最具啟發(fā)性的天然來源:太陽的中微子。戴維斯時代的物理學家有一些非常成功的模型,這些模型解釋了太陽如何通過產生光的相同核聚變過程產生中微子。這意味著他們可以預測太陽會發(fā)射多少中微子,因此戴維斯和他的團隊著手探測這些太陽中微子,并證明太陽是由核聚變驅動的。為此,他們建造了一個巨大的探測器,大小相當于三輛雙層巴士。
每秒有數以萬億計的中微子到達地下探測器,完全不受其上方數千英尺巖石的影響,而且通常不受探測器本身的影響。在極少數情況下,中微子撞擊液體中的一個氯原子,它會將氯原子轉化為放射性氬原子。通過提取這些氬原子,研究人員可以計算出有多少中微子從太陽到達探測器。
即使有了這個巨大的探測器,該團隊每隔幾天也只能看到一個氬原子。實驗效果很好,科學家們首次證明中微子是由太陽產生的。但是有一個問題,他們只檢測到了他們期望看到的中微子的三分之一,這被稱為太陽中微子問題。
起初,許多科學家只是假設戴維斯的實驗出了點問題。檢測單個氬原子很困難,也許他的實驗沒有看到所有的氬原子。但該實驗運行了20多年,始終得到相同的結果。其他科學家認為太陽模型有問題,但當他們檢查時,沒有人發(fā)現計算有任何錯誤。所以實驗運行良好,計算結果也很好。只是不知何故,一堆太陽中微子失蹤了。
一位對失蹤的中微子并不感到驚訝的人是理論物理學家布魯諾·龐特科爾沃。自從科學家發(fā)現中微子有三種味道后,龐特科爾沃就一直在想,“如果它們能從一種味道變成另一種呢?”通過聚變的魔力,太陽只產生電子中微子,這就是戴維斯的實驗所測量的。但是,如果中微子在傳播時可以在三種味道之間變形,其中一些似乎會“消失”,因為探測器只在尋找其中一種。
事實證明這正是中微子所發(fā)生的事情,2001年在加拿大薩德伯里中微子天文臺的一項實驗證明了這一點。薩德伯里的研究人員找到了一種方法來測量僅由電子中微子引起的某些相互作用,以及由所有中微子風味引起的其他相互作用。因此,科學家們最終可以測量太陽中微子的總數,并將其與太陽電子中微子的數量進行比較。中微子相互作用的總數與科學家對太陽產生的預測相符,而電子中微子相互作用與雷·戴維斯所看到的相符:總數的三分之一。
隨著中微子離開太陽,三分之二的中微子從電子中微子變成了另外兩種類型??茖W家們正式發(fā)現了一種現象,中微子可以改變它們的味道,它通常被稱為“振蕩”。
1998 年,日本的一項名為 Super-Kamiokande的實驗正在測量大氣中產生的μ子中微子。他們還看到 μ子中微子似乎正在消失。更奇怪的是,Super-K 研究人員發(fā)現μ子中微子傳播得越遠,它們消失的可能性就越大。這證明中微子不僅會改變味道,它們實際上會以一種非常特定的方式來回變化,這意味著我們捕捉它們的形式取決于它們走了多遠。
即使在今天,關于中微子振蕩仍有很多神秘之處。粒子物理學的標準模型,我們理解亞原子世界的黃金標準理論,還不能解釋它。因此,試圖了解中微子振蕩的實驗仍在繼續(xù)。