第十章 中微子趣史(2 / 3)

萊因斯和科溫的實驗開啟了進一步研究中微子特性的大門。大量的實驗揭示出中微子的另一怪異特點——具有與眾不同的手征性。手征性可以用陀螺作為一個簡單的例子來粗略說明:陀螺一頭尖一頭平,以尖的一端作為參照,就可以定義旋轉的陀螺的轉動方向(即手征性)——順時針或逆時針。基本粒子也具有手征性。不過在粒子物理中不說順時針與逆時針,而說左旋與右旋。對大多數粒子來說左旋與右旋是對稱的,即如果存在具有左旋的某種粒子,就一定也存在具有右旋的同種粒子。假如一個具有左旋的粒子去照鏡子,鏡子裏看到的就是一個具有右旋的同種粒子。在粒子的相互作用中,如果以左旋粒子取代同種的右旋粒子而結果不變,這種相互作用就具有手征對稱性。然而令人費解的是,實驗中觀測到的中微子都是左旋的(反中微子則都是右旋的),世上似乎根本不存在右旋中微子。沒有右旋中微子的一個直接結果是,如果能讓一個中微子去照鏡子,鏡子裏就將什麼都沒有!有人懷疑中微子的這種不對稱性也許與宇宙的形成有關,可能是揭開宇宙中物質與反物質高度不對稱之謎的關鍵。

首次探測到中微子靠的是核子反應堆。其實太陽就是一個超大型的反應堆,它所發出的光和熱是產生於發生在其核心的熱核反應。由於需要穿過厚厚的等離子體,在核心產生的能量要經過上百萬年才能到達太陽表麵。也就是說,我們現在沐浴的陽光是產生於百萬年之前的。但是熱核反應中產生的大量中微子卻可以幾乎不受阻滯地直達表麵、飛離太陽。這就意味著,通過研究目前收到的太陽中微子,人們可以了解一些百萬年後太陽能的狀況。上世紀60年代末,巴赫恰勒(john bachall,1934—2005)借助基本的核物理和天體物理知識,從理論上計算了來自太陽的中微子流量。為了核實他的計算結果,巴赫恰勒建議他的朋友、實驗物理學家戴維斯(raymond davis,1912—2006)進行一項測量太陽中微子的實驗。為了排除其他外界因素的幹擾,戴維斯將實驗室設在美國南達科他州的一個1000多米深的廢棄礦井裏。根據巴赫恰勒的計算,戴維斯應該每星期觀測到大約10個太陽中微子,然而實際觀測到的僅3個左右(這項實驗後來為戴維斯贏得了2002年的諾貝爾物理獎)。不少核物理學家用不同的模型對太陽的中微子流量進行了反複地計算,得出的結果都與巴赫恰勒的結果一致。然而戴維斯的實驗也無懈可擊,他有一條非常過硬的論據:如果是外界的其他來源造成了“汙染”,觀測到的中微子數目隻會比理論上的更多而不是更少。理論與實驗的巨大差異不但在物理界引起軒然大波,就連大眾媒體也摻和進來了,諸如“太陽病了”之類的文章隨處可見。

其實解開這個謎團的鑰匙在幾年前就已經被龐蒂科夫(bruno pontecorvo,1913—1993)打造好了,隻不過在當時沒有引起多少人的重視。龐蒂科夫是出生在意大利的猶太人,曾在費米領導的著名研究小組中工作過,一直從事核物理方麵的研究。二戰時為了躲避納粹的迫害,流亡到美國,後來去了英國並參與過英國的*計劃。可他同時又是蘇聯克格勃的間諜,1950年叛逃去了蘇聯。在60年代初,物理學家們就已經知道中微子應該有不止一種。常見的中微子是與電子相關聯的電子中微子,此外還有與另兩種輕子μ子和τ子相關聯的μ中微子和τ中微子。這三種中微子在物理上可以用具有不同的“味”來加以區分。龐蒂科夫在1967年提出了一個大膽的設想:如果中微子的靜止質量不為零,中微子就可能“變味”,即電子中微子可以自動變成μ中微子、μ中微子可以自動變成τ中微子、τ中微子又能自動變成電子中微子,循環往複——這就是著名的中微子震蕩。然而物理界普遍相信中微子是以光速運動的,根據相對論,以光速運動的粒子其靜止質量隻能為零。這也是為什麼龐蒂科夫的理論無人問津的根本原因。有意思的是,龐蒂科夫的理論卻為太陽中微子的難題提供了一種非常自然的解釋:太陽的核反應中產生的中微子雖然隻有電子中微子(為此戴維斯設計的實驗隻探測電子中微子),但如果它們在飛往地球的旅程中不斷重複電子中微子μ中微子τ中微子電子中微子的循環,那麼實際到達戴維斯的探測器時,就是三種中微子,而不是單一的電子中微子。因而測到的電子中微子數量當然就隻有出發時的1/3了。由此看來,巴赫恰勒的計算和戴維斯的實驗都沒有錯。為了證實來自太陽的中微子真的是在三種“味”的混合體,1999年在加拿大薩德伯裏一個3000多米深的礦井裏安排了可以同時探測三種“味”的中微子的精密實驗,此次實驗測到的中微子總流量與理論計算值完全吻合,從而給“太陽中微子丟失”之謎畫下了一個完美的句號。龐蒂科夫若不是具有上麵所說的那種複雜背景,他應該有可能因提出中微子震蕩理論而獲得諾貝爾獎。