太陽(yáng)中微子“獵手”：雷蒙德·戴維斯

王江山

中微子是一種能夠穿越空間和固體物質(zhì)的亞原子粒子，它難以捉摸，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，具有神奇的穿透特性，被稱為“宇宙中最難以捉摸的獵物”。但有一位科學(xué)家靠著精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和超凡的耐心“抓住”了神出鬼沒的中微子，他第一個(gè)探測(cè)到了太陽(yáng)中微子的存在;他為太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變理論提供了最為直接和堅(jiān)實(shí)的支持;他和小柴昌俊在“探測(cè)宇宙中微子”方面取得的成就導(dǎo)致了中微子天文學(xué)的誕生……他就是2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯。

開啟“尋獵”之旅

1914年10月14日

雷蒙德·戴維斯出生亍華盛頓，他的父親是美國(guó)匡家標(biāo)準(zhǔn)局（National Bu reaLof Standards）的一名攝景師。從小他就對(duì)科學(xué)感共趣，父親也鼓勵(lì)他進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，甚至把家中的地下室送給他作實(shí)驗(yàn)室。

1938年

戴維斯在馬里蘭大學(xué)獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位，之后又獲得該校碩士學(xué)位;1942年，獲得耶魯大學(xué)物理化學(xué)博士學(xué)位。

1948年春天

戴維斯加入了致力于和平利用核能的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。在那里，他被要求“尋找一些有趣的東西來研究”，于是他將目光投向了中微子研究。中微子是一種基本粒子，不帶電，質(zhì)量極小，但在當(dāng)時(shí)沒有人能證明它是不是單獨(dú)存在。在早期的實(shí)驗(yàn)中，他試圖用布魯諾·龐蒂科夫（BrunoPontecorvo）建議的氯氬探測(cè)方法探測(cè)來自反應(yīng)堆的中微子。第一次嘗試沒有檢測(cè)到任何信號(hào)，因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)堆的中微子流量太小，而且反應(yīng)堆發(fā)射出了反中微子，龐蒂科夫的方法卻只能探測(cè)中微子，而當(dāng)時(shí)的人們還不知道這兩種粒子是不同的。

1954年

為了更好地探測(cè)中微子，戴維斯在布魯克海文的反應(yīng)堆和薩凡納河（Savannah River）的一個(gè)反應(yīng)堆部署了含有氯原子的探測(cè)器。他不僅完善了實(shí)驗(yàn)方案，還開發(fā)了開采、氣體處理和計(jì)數(shù)所需的硬件。

1958年

1958年，霍爾格倫和約翰斯頓提出，質(zhì)子一質(zhì)子鏈中的一個(gè)末端反應(yīng)將產(chǎn)生高能中微子。這可以用氯一氬放射化學(xué)方法測(cè)量。受這些理論的啟發(fā)，20世紀(jì)60年代，戴維斯在南達(dá)科他州霍姆斯特克礦井里放置了一個(gè)裝有富氯液體的儲(chǔ)存罐。探測(cè)器本身由一個(gè)約40萬升的裝有四氯乙烯（一種常用于干洗衣物的溶劑）的水箱組成，該實(shí)驗(yàn)在位于地下近1600米處進(jìn)行。在極少數(shù)情況下，中微子能與氯原子相互作用形成氬原子。通過計(jì)算這些氬原子，就可以探測(cè)到來自太空的中微子。

1968年

在改進(jìn)計(jì)數(shù)方法和實(shí)驗(yàn)條件后，戴維斯和團(tuán)隊(duì)終于成功地測(cè)量了太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子的流量，但奇怪的事情發(fā)生了：他測(cè)量到的中微子數(shù)量?jī)H有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型計(jì)算出來的1/3。這就是所謂“太陽(yáng)中微子問題”的起源。太陽(yáng)中微子問題一直困擾著物理學(xué)家和天體物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)戴維斯認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型有問題，而許多物理學(xué)家認(rèn)為他的實(shí)驗(yàn)有問題。1976年，戴維斯和約翰·巴卡爾發(fā)表了論文《太陽(yáng)中微子：一個(gè)科學(xué)難題》，解釋了太陽(yáng)中微子問題的性質(zhì)，他們認(rèn)為“這種差異導(dǎo)致了恒星演化理論的危機(jī)?！?h3>“捕獲”隱形獵物

1984年

戴維斯退休了，但他并不準(zhǔn)備就此放棄對(duì)太陽(yáng)中微子的探測(cè)，直到20世紀(jì)90年代末，他還一直進(jìn)行著測(cè)量太陽(yáng)中微子流量的實(shí)驗(yàn)。但戴維斯多年的測(cè)量都產(chǎn)生了一致的答案，實(shí)驗(yàn)程序也非常嚴(yán)謹(jǐn)，那太陽(yáng)中微子到底為什么缺失呢？為了解決這一困惑，科學(xué)家們提出，太陽(yáng)釋放的電子中微子可能在傳播到地球的過程中發(fā)生了轉(zhuǎn)換，變成了其他類型的中微子，因?yàn)樽匀唤邕€存在另外兩種中微子：“u中微子”和“T中微子”，而他們當(dāng)時(shí)的方法只能探測(cè)到電子中微子，這就是“中微子振蕩”的觀點(diǎn)。如果這三種中微子之間可以相互轉(zhuǎn)換，就意味著中微子的靜止質(zhì)量并不為零，這將對(duì)粒子物理學(xué)的許多基本觀念提出挑戰(zhàn)。

1998年

日本的超級(jí)神岡探測(cè)器首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù)，表明u中微子轉(zhuǎn)換成了一r中微子。2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文臺(tái)發(fā)表了測(cè)量結(jié)果，探測(cè)到了太陽(yáng)發(fā)出的全部三種中微子，其中35%是電子中微子。三種中微子的總流量與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的預(yù)言相符，徹底解決了先前觀測(cè)到的太陽(yáng)中微子缺失的問題。

2002年

戴維斯、日本物理學(xué)家小柴昌俊和意大利物理學(xué)家里卡爾多·賈科尼分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對(duì)天體物理學(xué)的開創(chuàng)性研究。戴維斯和其他科學(xué)家的研究讓人們得以檢測(cè)瀕臨滅亡的恒星，并進(jìn)一步了解宇宙。