科學(xué)家借助中微子探測器 成功瞥見太陽的靈魂

借助全球最敏感的中微子探測器，一支國際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)第一次向全世界報(bào)告，他們已經(jīng)直接探測到了在太陽內(nèi)核發(fā)生的、由“基礎(chǔ)”質(zhì)子—質(zhì)子(PP)融合過程產(chǎn)生的中微子。

主報(bào)告人安德瑞·波卡爾是來自馬薩諸塞大學(xué)阿莫斯特學(xué)院的物理學(xué)家，他解釋說，在99%的太陽能源產(chǎn)生的步驟中，PP 反應(yīng)是第一步。利用這些中微子的最新數(shù)據(jù)，我們可以直接著眼于太陽最大能源生產(chǎn)過程的發(fā)端或鏈鎖反應(yīng)，直達(dá)其極熱的密實(shí)核心。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近期報(bào)道，這支超過百人的國際團(tuán)隊(duì)，通過比較兩個(gè)不同類型——中微子和表面光的太陽能輻射，獲得了關(guān)于太陽熱力學(xué)平衡的試驗(yàn)資料，這些信息的時(shí)間尺度是10 萬年。

波爾卡說:“如果說眼睛是靈魂的窗口，利用這些中微子，我們已經(jīng)瞥見了太陽的靈魂。”

“無處不在”卻“難以琢磨”。在太陽核心發(fā)生的核聚變過程中，核子作用和不同元素的放射性衰變產(chǎn)生了中微子。這些粒子以接近光速的速度沖出太陽，以每秒4 200 億次的頻率擊打地球表面的每一寸土地。

“就目前所知，中微子是我們看向太陽內(nèi)核的唯一途徑。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子融合成一個(gè)氘，會釋放這種PP中微子，這種中微子非常難以研究，因?yàn)橹形⒆觾?nèi)部作用產(chǎn)生的能量很低，而充斥著巨量豐富的自然放射現(xiàn)象，輕易就覆蓋了其作用時(shí)發(fā)出的信號?！?/p>

波爾卡補(bǔ)充道:“由于只需要通過弱核力完成相互作用，它們穿過物質(zhì)幾乎不受任何影響，因此，你很難從普通材料的核衰變中檢測和區(qū)分出它們?！?/p>

中微子會以三種狀態(tài)進(jìn)入探測器。那些來自太陽核心的，應(yīng)該是“電子”，當(dāng)它們從出生地旅行到地球時(shí)，會再現(xiàn)其他兩種狀態(tài)“U 介子”和“Τ(希臘字母表中的第19 個(gè)字母)”之間搖擺或轉(zhuǎn)換。

“根據(jù)這一現(xiàn)象和以前的太陽中微子測量，探測器再次強(qiáng)烈證實(shí)了這種微粒的行為是多么的難以琢磨?！辈栒f。

介質(zhì)足夠“老”，C-14 足夠“少”。中微子天文臺的這臺探測器，被放置在意大利的亞平寧山脈深處，處在一個(gè)被1 000 t 水環(huán)繞的巨大球形物的中心。當(dāng)中微子與一種超純分子有機(jī)液體閃爍體作用時(shí)，該探測器會探測到中微子。

由于所處極大深度并借助很多洋蔥狀的保護(hù)層，這一裝置得以在地球上最少輻射的地方順利開展工作。事實(shí)上，它是地球上能觀察中微子整個(gè)光譜的唯一探測器。

在使用中微子探測器的過程中，關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是需要控制和精確地量化所有背景輻射。

波卡爾說，探測器核心的有機(jī)閃爍體充滿類似苯的液體，這些液體是從在地球上能夠找到的“數(shù)百萬年老原油”中提取的?！拔覀冃枰@種液體，因?yàn)槲覀兿胍谢虮M可能多的已腐朽C -14，因?yàn)镃 -14β衰變覆蓋的中微子信號正是我們想要檢測的。在閃爍體液體中，每10 億個(gè)原子中只有3 個(gè)是C -14，這是一種多么荒謬的‘干凈’!”

在新論文中，物理學(xué)家們探討的一個(gè)相關(guān)問題是，在閃爍體中，當(dāng)兩個(gè)C -14 原子同時(shí)衰變的“連環(huán)”事件發(fā)生時(shí)，其特征與PP 中微子相互作用很類似。

波爾卡說:“本次報(bào)告的偉大進(jìn)步在于，團(tuán)隊(duì)成員基思·奧蒂斯找到了一種路徑，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法識別和扣除‘連環(huán)’現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，這基本上使得新的PP 中微子分析過程變得可行。”

天體物理學(xué)家說，盡管檢測PP 中微子不是中微子天文臺原始實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，“但它是一次意外的成功，且將這臺探測器的靈敏度推向了此前從未到達(dá)的極限?！?/p>

中微子難得，人類競相“圍”之。中微子是一種基本粒子，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中都扮演著極為重要的角色。在20 世紀(jì)50 年代發(fā)現(xiàn)宇宙中微子之后，許多人意識到中微子將會是理想的宇宙使者。

由于沒有質(zhì)量并且不帶電荷，和其他物質(zhì)的相互作用極其微弱，這使得中微子的運(yùn)動軌跡不會發(fā)生改變。對于那些來自遙遠(yuǎn)宇宙、來自黑洞邊緣或者來自宇宙線發(fā)源地(如本文中的太陽)的中微子而言，可以告訴人類那些“源”在哪里，甚至可以讓我們一探黑洞的究竟。

不幸的是，建造中微子望遠(yuǎn)鏡卻是一項(xiàng)令人望而生畏的挑戰(zhàn)?？傮w上說，一架中微子望遠(yuǎn)鏡必須具有千米的尺度以便探測來自宇宙的微弱中微子流，要足夠透明以便光線可以在光學(xué)傳感器陣之間傳播，還要足夠深以此來屏蔽來自地球表面的干擾，同時(shí)還要在經(jīng)費(fèi)上可以承受。

2014 年7 月，中科院高能物理研究所宣布，由中國主持的第二個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)——江門地下中微子實(shí)驗(yàn)將于今年年底動工。由來自全世界50 多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的200 多位科學(xué)家組成的江門地下中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組正式成立。

2012 年，由中國科學(xué)家主持的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子第三種振蕩模式，被國際粒子物理界評價(jià)為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。隨后中國科學(xué)家即醞釀江門中微子實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)將解決國際中微子研究領(lǐng)域下一個(gè)熱點(diǎn)和重大問題:中微子質(zhì)量順序。

就在2014 年9 月24 日，以中國科學(xué)家為主導(dǎo)的大型暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)組PandaX(“粒子和天體物理氙探測器”)發(fā)布了使用120 公斤級液氙探測器所獲得的首批數(shù)據(jù)。

預(yù)測希格斯粒子的科學(xué)家、2013 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者恩格勒教授6 月份在接受科技日報(bào)采訪時(shí)表示，中微子和暗物質(zhì)以及宇宙學(xué)的新發(fā)現(xiàn)，未來都可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。