天文学与新中微子
Ivan Semeniuk
译自Sky & Telescope, Vol. 108, No. 3 (2004)
在地下几哩处的矿脉中观测。由冰和海水建造望远镜。信号可以穿越一光年厚的固体铅。欢迎来到中微子天文学的美丽新天地！
1976年，加州理工学院的物理学家和天文学家就某一门深奥的学问举行了一次非正式研讨会。来自布鲁克海文国家实验室的科学家小雷蒙德·戴维斯带来了首批有关太阳产生多少中微子的数据。然后，戴维斯在加州理工的合作者John N. Bahcall描述了他的计算结果，这个结果说明了太阳应该产生多少这种飞驰的亚原子粒子。
Bahcall非常不安。那时他只是个没有终身职位的助理教授，正将他最重要的工作展现给他那个领域中最著名的人物——而差异显然是巨大的。他的计算所预言的太阳中微子数目是戴维斯探测到的三倍，而Bahcall也不必知道这是为什么。如今已在新泽西州普林斯顿高等研究所工作的Bahcall说：“我想当时我的脸上必然显现出十分泄气的神情。”
在那些出席者中，有加州理工著名的物理学家理查德·费恩曼。他注意到Bahcall的精神状态后，把他叫了过来。Bahcall回忆说，“费恩曼和我散了很长时间的步，肯定有2小时长了。”仔细听完Bahcall诉说他的苦恼之后，费恩曼最后对他说：“不要不舒服了。我不知道这个问题的答案，但它很有意思。”
费恩曼的话很有预见性。以这次帕萨迪那林荫道上的散步为开端，未来35年间发展成为重要的科学路程，涉及数百名研究人员和跨越3个大陆的至少6项大型科学实验。最近，这段路程在加拿大北安大略前寒武纪岩床中得出了令人惊讶的结论。这里就是加拿大Sudbury中微子天文台（SNO），在这里研究人员证实了Bahcall原先的预言，揭示了早期实验不能解释这一预言的原因：中微子比任何人想象的都怪异得多。
同时，太阳中微子的故事也有了一个激动人心的结局。用来研究费恩曼认为“有意思”的问题的工具也可以用来观测宇宙中一些最不可能接近的地方，而这正是新一代“中微子天文学”的目标。
从北美洲的金矿和镍矿到南极的冰原，科学家使用包括400000升水箱和南极冰原在内的“望远镜”接收到大量新的宇宙信号——一种叫做中微子的亚原子粒子。
上图：世界上首位中微子天文学家——小雷蒙德·戴维斯在检查第一架太阳中微子探测器，该探测器安放在南达科他Homestake矿床中。（图片提供：布鲁克海文国家实验室）
上图：AMANDA（南极洲mu子和中微子探测阵列）实验装置被安装在南极点阿蒙森-斯科特站。（图片提供：Steven Barwick/加州大学Irvine分校）
上图：加拿大地表以下数哩处的Sudbury中微子天文台。（图片提供：劳伦斯伯克利国家实验室）
从绝望到发现
在中微子吸引天文学家之前，它们也曾给物理学家带来严重的问题。
1930年，为解释Beta衰变问题，沃尔夫冈·泡利提出了这种轻质量、电中性粒子——Beta衰变是原子核通过释放电子（也叫做Beta粒子）而瓦解的过程。当时的理论认为，释放的电子能量与衰变产能应该相等，但实际上所带的能量没有那么多。所以泡利诉诸一种近乎“绝望”的补救方法——一种不可见的粒子携带了亏损的能量。不久，恩里科·费米将这种粒子命名为中微子。
泡利很害怕他给科学界带来了一个大难题，他假想出一种粒子，这种粒子却不能用任何手段探测到。幸运的是，检测中微子不是绝对不可能的——只是非常非常困难。而正是这种特性使它们对天文学家来说弥足珍贵。麻省理工学院的物理学家Kate Scholberg说：“中微子可以穿越物体。它们携带着来自天体内部的信息，这些区域对光子来说是不透明的。”
中微子能穿越物体的原因是它不感受电磁作用，而电磁力支配的是物质和光相互作用。但是它们可以通过弱核力与其他粒子作用。而弱力的力程非常短，只是质子直径的一万分之一。因此中微子反应极其罕见。
由于中微子很难被捕获，中微子探测器就必须十分庞大。第一次成功的探测要追溯到20世纪50年代，当时Frederick Reines和Clyde Cowan将一个10立方英尺大小的探测器放置在一座大型裂变反应堆附近。不久，物理学家就意识到，这样探测到的来自更强有力但距离更远的聚变反应堆的中微子，数目可能是可测量的。而这个反应堆是：太阳的核心。
戴维斯承担起成为首名中微子天文学家的使命。他的“望远镜”是一个400000升的大水箱，里面盛满了富含氯-37的纯净液体，氯37在吸收一个太阳中微子后将转变成氩。通过测量水箱中氩的形成速度，戴维斯就可以测量穿过这里的太阳中微子的数量。
戴维斯面临的最大挑战是宇宙射线——这是来自外层空间的高能粒子。它们也会在含有氯的水箱中发生类似反应。为克服这一威胁，他将他的探测器安置到了南达科他州一座金矿里，以使用地壳作为宇宙射线的屏蔽。这一策略成功了。戴维斯成了第一个探测到太阳中微子的人，之后第一个解释了理论预言和实际测量之间令人迷惑的偏差。
对于这一偏差，并非所有的人都视而不见。毕竟，只有一个实验测量到了它，而所得结果可能是偶然现象。然而，1989年，东京大学物理学家小柴昌俊研制的神冈探测器也证实了这一结果。（由于他们先驱性的努力，戴维斯和小柴分享了2002年的诺贝尔物理奖。）
随后又进行了其他一些实验，也得到了类似结果。显然，在我们可以自信地利用中微子探测宇宙之前，我们必须先解决太阳中微子失踪的谜团。
