太阳中微子--证明太阳内核发生着核聚变

引言

上一篇文章中说到太阳的能量来自内核中的氢核聚变反应,那么怎么才能证明这是真的?

氢核聚变的证据

太阳内核中的核聚变反应方程如下:

4p\rightarrow He^4+6\gamma + 2\nu

可以看出,每次反应都会产生一个重氦粒子,六个\gamma光子和两个中微子,其中重氦就是带四个电荷的粒子,很容易与物质相互作用,\gamma光子更是容易被吸收,只有中微子只参与弱相互作用,几乎不与物质相互作用,直接从核心逃离太阳。这就为证明核聚变理论提供了可能,但也正是这种性质让中微子的探测非常困难。

具体探测方法这里不再具体说明,就是需要足够大的探测器才能接收到足够数量的中微子讯号,而且还要建造在地底深处来屏蔽宇宙射线和其它背景辐射。20世纪60年代晚期,由美国物理学家雷蒙德 ∙ 戴维斯率开展的位于美国南达科他州矿井中的Homestake实验才首次测量了太阳产生的中微子的流量,说明太阳核心的确发生核聚变反应。

但事情没这么简单,否则这章的字数就太少了。

新的问题

在探测到中微子之后,科学家们发现Homestake实验测量到的太阳中微子流量与理论计算值不吻合,探测的中微子流量大约只有根据标准太阳模型计算出来的三分之一。而且这不是偶然,20世纪80年代,日本的神冈探测器也发现了类似的现象。针对太阳中微子的缺失问题,首先想到的是修改标准太阳模型。

如果测量到的中微子流量是准确的,那么要求太阳核心的温度比标准太阳模型中的温度低。但是,日震学观测发现实际温度与标准太阳模型符合得很好。此外,无论怎样调整太阳标准模型都无法符合观测得到的中微子能谱,对模型进行任何调整都会令矛盾增多。

后来科学家们相继发现\mu子和\t子(与电子一起构成三种轻子),故而提出假设认为中微子也有三种,分别是电子中微子、\mu子中微子和\t子中微子,而且这三种中微子还可以相互转换,称为中微子振荡。这样便可以解释太阳中微子缺失问题了,即中微子在传播到地球途中发生了转换。换句话说就是太阳发射的是电子中微子,在传播中一部分转换了,没探测到,因为\mu子中微子和\t子中微子相对更难被探测到,需要更加灵敏的探测器。

中微子振荡

在继续提高探测器灵敏度之后,1998年,日本的超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据,表明μ子中微子转换成了τ子中微子。

2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台发表了测量结果,探测到了全部三种中微子,其中35%是电子中微子。

探测到的三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言符合得很好,解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。Homestake实验的领导者雷蒙德·戴维斯和神冈探测器的领导者小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔物理学奖。




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