太阳中微子发现：太阳中微子与37Ar的关系

太阳中微子的发现

众所周知，中微子是很不一般的基本粒子，起先人们对它毫无所知。20世纪30年代，物理学家在研究原子核ρ衰变时，发现有一部分能量“失踪”了。1931年，泡里勇敢地提出可能有一种神秘的粒子把一部分能量带走了，它就是后来被称为的中微子。它不带电，没有静止质量，以光速运动，这一点像光子，但自旋为1/2，这一点又像电子。1956年，美国两位物理学家柯恩(C．L．Cowan)和莱因斯从实验中证实了中微子的存在。已经77岁的莱因斯与另一位发现r轻子的珀尔分享1995年诺贝尔物理学奖。

然而时至今日，人们对于中微子仍有若干问题没有弄清楚，这些问题将涉及到某些重要方面。人们研究太阳时所暴露出来的关于中微子问题尤为明显。

太阳不断地向广袤的宇宙空间释放巨大的能量，地球得到的太阳能仅为其中的22亿分之一。据实验测量，在这一部分能量中，约31%被云层、地面和大气反射掉;约33%转化为长波热辐射，又辐射到太空去;约30%用于蒸发海水和陆地表面的水分，形成水的循环;约5%被植物吸收。煤和石油就是古代贮存下来的太阳能。由此可见，太阳只要赐给地球这么一点能量，就使地球成为生气盎然的世界了。

太阳的能量是如何产生的呢?为了揭开这个奥秘，天文学家和物理学家们相继提出了化学能或引力能的转化假说等，但都不能解释太阳为什么能够长年累月稳定地提供如此巨大的能量。现在这个问题已初步解决，并取得共识。太阳能就是氢核(ρ)聚变为氦核(4He)的时候，释放出的聚变能。氢核的质量是1．007825原子质量单位，氦核的质量是4．002603原子质量单位。4个氢核聚变为1个氦核后，质量亏损了0．0287原子质量单位。根据著名的爱因斯算出1克氢聚变后能产生6．5×10ⁿ焦(或1577亿卡)的能量。假设太阳中有1/10质量的氢发生聚变，根据目前太阳的总光度，可知每秒约有400多万吨的太阳物质转化为能量。这样就可估算太阳能稳定放出光和热的时间大约为100亿年。太阳现在的年龄约46亿年，这说明可供燃烧的氢大约已消耗了一半。

按通常的理解，氢气的温度必须达到1000开，氢核热运动的平均动能才能克服它们之间的库仑势垒，使它们接近到核力的作用范围，氢核才能发生聚变。另一方面，设想太阳是一个在自引力作用下的均匀理想气体球，从已知的太阳质量和半径容易估计出太阳中心温度约为1500万开，比能够越过库仑势垒的温度小3个数量级。这样岂不是在太阳内部不可能实现核聚变反应吗?伽莫夫应用量子力学中的隧道效应摆脱了这个困境。原来太阳物质是处于非简并态的气体，作热运动的粒子什么速度都有，只是应遵守麦克斯韦速度分布律，即粒子数随速度增加作指数式的减少。若按经典力学，速度小的核不能穿透势垒。但按量子力学的观点，还是有一定的几率可穿透过去，这叫做隧道效应，其穿透几率随着粒子速度减小作指数式的减小。将这两种因素结合起来可知，速度很大的核虽然容易穿透势垒，但由于数目太少，对核反应率贡献非常小。速度太小的核，由于穿透势垒的几率太小，对核反应率也没有什么贡献。只有适中的速度，并在该速度附近的小范围内的核对核反应率才作出贡献，并且该适中的速度贡献最大，显示出一尖锐的峰，被称为伽莫夫峰。以上就是伽莫夫所奠定的热核反应的理论基础。后来，美国物理学家贝特建立了一个具体的、令人信服的太阳模型，现在人们称它为太阳标准模型。贝特的理论经过29年的考验后，于1967年荣获诺贝尔物理学奖金。现在人们深信，在太阳内部进行着两种类型的聚变反应:一是质子—质子(PP)反应，直接通过质子之间的相互碰撞实现聚变;二是碳、氮、氧(CNO)循环，12C起着催化剂作用。美国天体物理学家巴柯尔等20多位科学家花了20多年的时间研究了两种类型核反应的全过程:(www.xing528.com)

由此可见，在太阳产能过程中，诡秘的中微子是一种副产品。中微子不会被太阳物质吸收，因而它的能量不会转变成太阳的热能。这份能量大约占释放能量的2%，即每聚变一个氦核，要带走0．59MeV能量。在计算太阳能时，应把它扣除掉，于是只有26．14MeV的能量使太阳发光。在反应产物中，还有正电子，它的寿命极短，瞬间就与电子湮灭了，释放出能量至少与两个电子的静止质量相当的两个光子。

研究表明温度只要达到400万开，便可发生PP反应，温度达到1200万开才发生CNO循环。不过，发生聚变反应不等于核“燃烧”起来，因为温度高不到一定的程度，可能会熄火。只有当氢燃烧释放的能量刚好与以各种方式散逸的能量相平衡时，核聚变才能持续下去。满足这个条件的温度被称为点火温度。PP反应的点火温度为1000～3000万开。太阳中心温度有1560万开，太阳表面温度只有约6000开，温度是由中心往外逐渐降低的。因此，只有在中心附近的一个不大的区域里才能进行热核反应。在这样的条件下，太阳能的98%是由PP反应提供的，CNO循环只占2%。

人们怎样检验太阳标准模型呢?这只能靠观测分析从太阳发出的光子和中微子。但是太阳的热核反应“炉”是深深地埋在太阳的核心区域，其周围被大量不透明的物质包围着。一个光子诞生后，要经过几千年才发射出来，所以它不能反映太阳内部的情况。然而中微子则大不相同，因为它和物质的相互作用极其微弱，所有的物质对它来说几乎都是透明的，以至于它可以穿透一光年厚的岩石而没有明显的衰减。因而中微子诞生后可以毫不费力地穿透太阳而跑到太空中来，如入无人之境，而且只需8分多就能到达地球。如果人们观测中微子也像观测光子那样方便的话，那么太阳内部的情况就一览无遗了。

然而正是由于中微子和物质作用极其微弱，所以捕捉探测中微子是极为困难的事。1946年，意大利物理学家庞特科尔沃提出了一种测量中微子的方法。其依据的原理是:氯37通过弱作用吸收一个高能中微子变成氩37，同时发射一个电子，该反应阈能为0．81MeV。37Ar在35天半衰期中捕获K电子又成为Cl，并放出2．8KeV的X射线，因此很容易被发现。在太阳中微子场中的”Cl大约经过几倍半衰期时间，37Cl和37Ar达到平衡。1956年，美国物理学家戴维斯(R．Davis)根据阿尔瓦雷兹的方案率先进行了尝试，直到1968年才取得不容忽视的进展。那一年，他把610吨纯四氯乙烯(C₂Cl₄)注入一个直径6米、长15米的大筒内，并把它安置在南达科他州霍姆斯塔克的一个1．5千米深的金矿矿洞中。上面厚厚的岩层可将宇宙线中的所有其他粒子都屏蔽掉，只有太阳中微子射进来。从1970～1988年，他们每周只探测到3～4个中微子，折合2．18±0．25SNU，只理论值7．9±2．6SNU的1/4～1/3，而其余的中微子却杳如黄鹤不知去向。如果人们接受令人信服的太阳标准模型的话，那么，太阳中微子的失踪案已困扰着人类达1/4世纪之久。它和另外两个问题:太阳磁场的产生机制和演化、日震的形成和演化，构成了太阳物理中的三大悬案。而后两者已初露端倪，惟有太阳中微子的失踪是最难解之谜。