中微子,这种几乎不与任何物质发生反应的基本粒子,一直是物理学界研究的热点。太阳,作为最大的中微子来源,其内部核聚变反应每秒消耗6.2亿吨氢,并产生大量中微子。
然而,科学家通过理论模型计算出的中微子数量与实际探测到的数量之间存在巨大差异,实际探测到的中微子数量仅为理论值的1/3,这便是“太阳中微子消失之谜”。
上世纪70年代,科学家发现氯37可以与中微子反应生成氩37和电子。美国物理学家戴维斯利用这一特性,在地下1500米深的霍姆斯特克金矿中建造实验室,并使用600多吨四氯乙烯溶液作为探测介质。
经过长达三十多年的观测,戴维斯仅探测到约2000个中微子,但这足以揭示太阳中微子消失的谜团。
与此同时,日本物理学家小柴昌俊在1000米深的矿井中进行实验,利用5万吨纯水和1万个光电倍增管探测中微子与水原子核碰撞产生的切连科夫辐射(一种淡蓝色的光辉)。1987年,小柴昌俊的实验迎来了一个关键时刻:大麦哲伦星云中一颗超新星爆发。
在超新星爆发后三小时,小柴昌俊的实验室探测到了13个中微子,远超平时探测到的数量。这次超新星爆发为小柴昌俊的实验提供了宝贵的数据。
2002年,戴维斯和小柴昌俊因其在中微子探测领域的杰出贡献而共同获得诺贝尔物理学奖。
中微子震荡与中微子质量戴维斯和小柴昌俊的实验都证实了太阳中微子消失的事实,那么消失的2/3中微子究竟去了哪里?最终的答案是:中微子存在三种类型——电中微子、缪中微子和陶中微子。戴维斯和小柴昌俊的实验只探测到了电中微子,而这三种中微子可以相互转化,这个过程被称为“中微子震荡”。
中微子震荡的发生也意味着中微子具有静止质量。
小柴昌俊的学生梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳通过实验证明了中微子震荡的存在,并因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。
冰立方:探索宇宙深处的中微子目前最先进的中微子观测站是位于南极冰层之下的“冰立方”(IceCube)。2018年7月12日,冰立方中微子天文台宣布首次成功确认了高能宇宙中微子的来源——一个距离地球37亿光年的天体。
这是人类历史上首次利用中微子探测器定位太空中的物体。
尽管我们对中微子有了更深入的了解,但仍有许多谜团有待解开,例如:是否存在第四种中微子?中微子的反粒子是否是其本身(即中微子是否是马约拉纳粒子)?中微子是暗物质吗?…… 这些谜题等待着未来科学家们的探索。