中微子振荡小史：2002年，日美科学家共获诺贝尔物理学奖

【编者按】

2015年的诺贝尔物理学奖刚刚揭晓。获奖者是两位对发现中微子振荡做出贡献的物理学家，日本物理学家梶田隆章与加拿大物理学家Arthur B. McDonald。

中微子的实验研究大致可以分成两类,一类是中微子振荡研究,另一类是非振荡物理,包括绝对质量的测量、无中微子双b衰变、寻找惰性中微子、寻找非标准相互作用和反常磁矩,以及中微子天文学等。大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并精确测量到其振荡几率，即物理学中的基本参数&mdash。中微子振荡的现象是上世纪60年代美国科学家戴维斯首次发现的（戴维斯是95年诺奖获得者），他使用四氯化碳观测太阳核聚变中释放的电子中微子，发现数据只有理论预期的三分之一，这在当时被称为太阳中微子之谜，科学家们不知道这些中微子去了哪里，不过今年诺奖之一的sno实验在2000年左右确认，这些电子中微子也是振荡到了另外两种。

卢昌海是美国哥伦比亚大学物理学博士，著有《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》《太阳的故事》《黎曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》等。

本节原标题为《标准太阳模型 vs 粒子物理标准模型》。

获得2015年诺贝尔物理学奖的加拿大科学家Arthur B. McDonald（阿瑟-麦克唐纳）和日本科学家Takaaki Kajita（梶田隆章）。

由太阳中微子带来的这些问题被称为太阳中微子问题 (solar neutrino problem)， 有时也被称为太阳中微子之谜， 或太阳中微子失踪之谜。 不过严格来说， 这最后一个名称是需要论证的， 这就好比在现实世界中要把一个案件定性为失踪案， 是需要经过排查的。 在本节中， 我们就从那些排查说起。

我们要排查的第一种可能性是观测出问题的可能性。 这种排查之所以必要， 是因为中微子是一种相互作用极其微弱， 从而在观测上极易 “漏网” 的粒子。 这 “漏网” 达到一定程度， 就有可能无中生有地产生出太阳中微子问题来， 就象早年的核物理实验因为无法探测到中微子， 而无中生有地闹出了能量不守恒的伪问题来一样。

那么， 太阳中微子问题是否也有可能是那样的伪问题呢？ 答案是否定的。 理由有两条： 一是太阳中微子问题乃是几组独立实验的共同结果， 这种结果的可靠性要比单一实验大得多。 二是 GALLEX 和 SAGE 这两组实验都用流量已知的人工中微子源对探测器进行过校正， 从而进一步确保了它们的可靠性。 因此我们有充分的理由相信， 太阳中微子问题并不是观测错误导致的伪问题。

既然不是伪问题， 那就是真问题了； 而既然不是观测问题， 那就是理论问题了。 因此接下来要排查的就是哪部分理论出了问题。 我们知道， 对太阳中微子流量的理论预言来自所谓的太阳模型， 这是一种在学术界有着广泛共识的模型， 也称为标准太阳模型 (standard solar model)。 这一模型以太阳的大小、 光度、 表面温度等可观测数据为约束， 对太阳内部物态的分布、 压强的平衡、 能量的产生与传输、 辐射的吸收与发射等主要因素及相互关系给出了定量描述。 它决定着太阳核心产生中微子的机制及数量。 但标准太阳模型并不是故事的全部， 因为太阳中微子被产生之后还必须经历一个传播环节： 它必须穿越几十万公里的太阳物质以及日地之间将近一亿五千万公里的距离， 才能进入我们的探测器。 而描述这一传播环节的是一个有关粒子物理的模型， 那也是一种在学术界有着广泛共识的模型， 叫做粒子物理标准模型 (standard model of particle physics)。 这一模型对目前已知的所有基本粒子及其相互作用作了相当精密的描述。 因此， 与太阳中微子问题有关的理论其实有两个部分， 它们拥有一个共同的名字叫做 “标准模型”。 而所谓 “哪部分理论出了问题”， 归根到底是两个标准模型之争， 即标准太阳模型 vs 粒子物理标准模型。

这两个标准模型哪个更可靠呢？ 在谜底揭晓之前如果让物理学家们押宝的话， 我想绝大多数物理学家会把宝压在粒子物理标准模型上。 因为这个模型自二十世纪六十年代后期建立以来， 已经得到了无数的检验， 其中包括所预言的新粒子及其参数得到证实那样堪称经典的检验。 粒子物理标准模型所描述的虽然是肉眼无法看见的微观世界， 但对物理学家们来说， 实验室里数不胜数的粒子反应图片无时无刻不在述说它的实在性。 与之相比， 标准太阳模型所受到的检验却少得可怜， 其中被寄予厚望的太阳中微子实验偏偏又得出了令人尴尬的结果。 而且与粒子物理标准模型所描述的相对纯粹的微观世界不同， 标准太阳模型涉及的是一个巨型天体的内部世界， 只要想想我们脚底下的地球尚且如此复杂， 我们对标准太阳模型的信心就很难不打上几分折扣。 因此直到二十世纪九十年代，曾因研究大统一理论而闻名的美国物理学家乔治 (Howard Georgi, 1947-) 还在一篇论文中宣称太阳中微子问题与粒子物理无关中微子振荡是指， 他并且很体贴地表示： 天体物理学家们能够把太阳中微子的数目计算到只差两到三倍的程度， 就已经很了不起了。 言下之意， 实验与理论的这点出入是不足为奇的， 可以由标准太阳模型负全责， 别来烦粒子物理。 另一位知名的美国物理学家德雷尔 (Sidney Drell, 1926-) 也表示， 粒子物理标准模型已经辉煌到了难以被放弃的程度。

核聚变的原理是，依此类推而发生所谓的链式反应，聚变反应对温度极其敏感，在相对较低的温度（近千万摄氏度）即可激发明显的聚变反应生成氦，是一个重原子的原子核分裂为两个或更多较轻原子核、钚239等的裂变能释放核能外，比如，就可增大原子核动能，原子相互作用中只是电子壳层相互影响，也能触发裂变，并以此制造威力比原子弹更大的超级弹，爆炸威力超过1000万吨当量，美国进行了世界上首次代号“迈克”的氢弹原理试验，美国科学家在研制原子弹过程中：在标准的地面温度下，推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃氢核引起聚变。①氯气与金属反应： 2na+cl22nacl（反应剧烈，产生大量白烟） 2fe+3cl22fecl3（反应剧烈，产生大量棕褐色烟，溶于水成黄色溶液） cu+cl2cucl2（反应剧烈，产生大量棕色的烟，溶于水成蓝色或绿色溶液）氯气能与绝大数金属都能发生反应，表明氯气是一种活泼的非金属单质。cortex-a53基于arm big.little，所以骁龙615搭载的便是大小核心协作的组合，总共八枚cpu核心，其中四枚“大核”最高主频1.7ghz，另外四枚“小核”最高主频1ghz，八枚核心可以同时工作，兼顾性能和功耗。

科学家认为我们可能有办法将太阳“起死回生”，目前太阳发生核聚变的核心具有非常高的温度和压力，这部分占太阳总体积的2%左右，而在太阳分层结构中有一个称为对流层的结构，这里便是太阳能“永葆生机”的关键部位，如果我们能将对流区域直接连通到太阳核心位置，那么就可以有效地利用太阳上大量的氢，这的想法并不是科学家异想天开，其实宇宙中就有这样的天体，比如红矮星，其能持续燃烧数千亿年甚至是万亿年。其次，在对数据的检查和矫正的过程中，明白了各种测量误差的，其主要有三个方面：仪器误差(仪器本身所决定，属客观误差)、观测误差(由于人员的技术水平而造成，属于主观误差)、外界影响误差(受到如温度、大气折射等外界因素的影响而这些因素又时时处于变动中而难以控制，属于可变动误差)。（e）温度观测温度观测分为大气温度观测和箱梁体内部温度观测，大气温度观测在与高程测量的同时进行，以便主梁高程代表性的确认。

提高预算管理绩效，关键是要对绩效评价结果进行科学、充分的运用，奖优罚劣，严格兑现奖惩，推动实现由“钱难要好花”向“钱好要难花”转变，使之成为推动各部门提升管理水平的重要抓手。a．符号指标 b．基本价值观 c．行为规范 d．核心价值假设 e．核心假设。 ② 近几年， 结合学习科学、 认知心理学领域的研究成果， 国际科学教育界又提出了注重科学大概念 （Ｂｉｇ Ｉｄｅａｓ） 的教育理念， 指出科学教育的目标不是让学生获得一堆由事实和理论堆砌的知识， 而应帮助学生实现一个趋向于核心概念的进展过程， 从而有利于他们理解生活中的相关事件和现象。

其实在太阳内部发生核聚变时产生的中微子流量就非常巨大。r136a1的亮度约为870万倍太阳光度，是已知最明亮的恒星，它在五秒的时间里散发的能量相当于太阳一年散发的能量。上一代的处理器（65nm）的：amd速龙x27750（黑盒）（双核变四核）amd弈龙x36450（三核变四核）（不稳定）这一代的处理器（45nm）的：amd速龙iix25000（双核变四核）（神u）amd闪龙140（单核变双核）amd速龙iix4620（三级缓存0m变6m）amd速龙iix3425、x3435（三核变四核）amd弈龙iix2545、x2550、x2555（双核变四核）amd弈龙iix3710、x3720（黑盒）（三核变四核）amd弈龙iix4810（三级缓存4m变6m）。

但对修改标准太阳模型的方案构成更沉重打击的， 则是我们在后文中将要介绍的所谓日震学研究， 那种研究证实了标准太阳模型的许多细节， 从而为修改标准太阳模型的努力设置了相当苛刻的限制。 事实上， 标准太阳模型看似 “五大三粗”， 只用寥寥几个方程式来描述整个太阳的基本特征， 但它对物理原理的运用却是相当缜密的， 甚至达到了 “牵一发动全身” 的精密性。 比如要想调低太阳的核心温度， 就必须同时调节太阳内部重元素比例之类的参数， 那些参数有不少是可以用日震学手段进行检验的， 而检验的结果几乎无一例外地支持了标准太阳模型。

实验测得的流强仅为标准太阳模型预言值的1／3，这就是太阳中微子亏缺。2002年，通过同时测量三种中微子，获得了电中微子消失、μ中微子和τ中微子出现的证据，且三种中微子数之和与标准太阳模型的预言一致，从而证实了中微子振荡现象，也解决了太阳中微子亏缺之谜。首要使用温度调理保鲜的办法，在保藏进程当中要时间留意温度的改变，常常对桃子的温度进行测定，避免不正常的温度呈现。

实验鞭长莫及的地方， 往往就是理论遍地开花的地方。

但细心的读者也许还记得， 我们在上节中曾经把中微子表彰为 “取代光子成为我们窥视太阳核心奥秘的工具”。 既然给予了这么高的荣誉， 我们就要问： 在它让我们窥视到的 “太阳核心奥秘” 中， 是否包括了太阳的核心温度呢？ 很幸运， 答案是肯定的， 就像光谱可以告诉我们发光体的温度一样， 太阳中微子的能谱也可以带给我们有关太阳核心温度的信息。 这一答案， 加上象神岡探测器那样能够测定中微子能量的探测器的问世， 使我们可以通过太阳中微子的能谱来推算太阳的核心温度。 而推算的结果与标准太阳模型的符合程度远高于修改方案。

那就探测太阳发出的电子中微子吧。探测超新星中微子、太阳中微子将带来星体内部的的信息,帮助我们理解星体的形成与演化。然而，实验探测到的中微子数目仅有理论预言值的三分之一左右，这个偏差后来被称为“太阳中微子消失之谜”。

现在留给我们的就只剩一条路了： 修改粒子物理标准模型。 粒子物理标准模型再是 “辉煌到了难以被放弃的程度”， 到了这个地步， 我们也只得在它头上动土了。 不过在动土之前， 我们先要对失踪者——中微子——的家世做一个彻查。 据我们目前掌握的情况， 中微子家族共有三兄弟， 个个都是偷运能量的好手。 我们前面所说的中微子只是最早落网的那个， 它的全名叫做电子中微子 (electron neutrino)。 除电子中微子外， 人们在 1962 年和 2000 年又先后发现了另外两种中微子，分别叫做 μ 子中微子 (muon neutrino) 和 τ 子中微子 (tau neutrino)。 这种三兄弟结构为从修改粒子物理标准模型角度解决太阳中微子问题提供了一条重要思路中微子振荡是指， 叫做中微子振荡 (neutrino oscillation)。

中微子振荡的现象是上世纪60年代美国科学家戴维斯首次发现的（戴维斯是95年诺奖获得者），他使用四氯化碳观测太阳核聚变中释放的电子中微子，发现数据只有理论预期的三分之一，这在当时被称为太阳中微子之谜，科学家们不知道这些中微子去了哪里，不过今年诺奖之一的sno实验在2000年左右确认，这些电子中微子也是振荡到了另外两种。1998年，日本超级神冈实验（super-kamiokande）首次探测到大气中微子（宇宙射线与大气中的粒子发生相互作用产生的中微子）的振荡。我们已知 m2>m1,因为能量较高的太阳中微子振荡主要发生在太阳内部,电子中微子与太阳内的电子发生带电流弱相互作用带来物质效应,可以区分 m2与 m1的大小。