科學家借助中微子探測器 成功瞥見太陽的靈魂

借助全球最敏感的中微子探測器，一支國際物理學家團隊第一次向全世界報告，他們已經直接探測到了在太陽內核發生的、由“基礎”質子—質子(PP)融合過程產生的中微子。

主報告人安德瑞·波卡爾是來自馬薩諸塞大學阿莫斯特學院的物理學家，他解釋說，在99%的太陽能源產生的步驟中，PP 反應是第一步。利用這些中微子的最新數據，我們可以直接著眼于太陽最大能源生產過程的發端或鏈鎖反應，直達其極熱的密實核心。

據物理學家組織網近期報道，這支超過百人的國際團隊，通過比較兩個不同類型——中微子和表面光的太陽能輻射，獲得了關于太陽熱力學平衡的試驗資料，這些信息的時間尺度是10 萬年。

波爾卡說:“如果說眼睛是靈魂的窗口，利用這些中微子，我們已經瞥見了太陽的靈魂。”

“無處不在”卻“難以琢磨”。在太陽核心發生的核聚變過程中，核子作用和不同元素的放射性衰變產生了中微子。這些粒子以接近光速的速度沖出太陽，以每秒4 200 億次的頻率擊打地球表面的每一寸土地。

“就目前所知，中微子是我們看向太陽內核的唯一途徑。當兩個質子融合成一個氘，會釋放這種PP中微子，這種中微子非常難以研究，因為中微子內部作用產生的能量很低，而充斥著巨量豐富的自然放射現象，輕易就覆蓋了其作用時發出的信號。”

波爾卡補充道:“由于只需要通過弱核力完成相互作用，它們穿過物質幾乎不受任何影響，因此，你很難從普通材料的核衰變中檢測和區分出它們。”

中微子會以三種狀態進入探測器。那些來自太陽核心的，應該是“電子”，當它們從出生地旅行到地球時，會再現其他兩種狀態“U 介子”和“Τ(希臘字母表中的第19 個字母)”之間搖擺或轉換。

“根據這一現象和以前的太陽中微子測量，探測器再次強烈證實了這種微粒的行為是多么的難以琢磨。”波卡爾說。

介質足夠“老”，C-14 足夠“少”。中微子天文臺的這臺探測器，被放置在意大利的亞平寧山脈深處，處在一個被1 000 t 水環繞的巨大球形物的中心。當中微子與一種超純分子有機液體閃爍體作用時，該探測器會探測到中微子。

由于所處極大深度并借助很多洋蔥狀的保護層，這一裝置得以在地球上最少輻射的地方順利開展工作。事實上，它是地球上能觀察中微子整個光譜的唯一探測器。

在使用中微子探測器的過程中，關鍵挑戰之一是需要控制和精確地量化所有背景輻射。

波卡爾說，探測器核心的有機閃爍體充滿類似苯的液體，這些液體是從在地球上能夠找到的“數百萬年老原油”中提取的。“我們需要這種液體，因為我們想要所有或盡可能多的已腐朽C -14，因為C -14β衰變覆蓋的中微子信號正是我們想要檢測的。在閃爍體液體中，每10 億個原子中只有3 個是C -14，這是一種多么荒謬的‘干凈’!”

在新論文中，物理學家們探討的一個相關問題是，在閃爍體中，當兩個C -14 原子同時衰變的“連環”事件發生時，其特征與PP 中微子相互作用很類似。

波爾卡說:“本次報告的偉大進步在于，團隊成員基思·奧蒂斯找到了一種路徑，用統計學方法識別和扣除‘連環’現象的數據，這基本上使得新的PP 中微子分析過程變得可行。”

天體物理學家說，盡管檢測PP 中微子不是中微子天文臺原始實驗目的，“但它是一次意外的成功，且將這臺探測器的靈敏度推向了此前從未到達的極限。”

中微子難得，人類競相“圍”之。中微子是一種基本粒子，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中都扮演著極為重要的角色。在20 世紀50 年代發現宇宙中微子之后，許多人意識到中微子將會是理想的宇宙使者。

由于沒有質量并且不帶電荷，和其他物質的相互作用極其微弱，這使得中微子的運動軌跡不會發生改變。對于那些來自遙遠宇宙、來自黑洞邊緣或者來自宇宙線發源地(如本文中的太陽)的中微子而言，可以告訴人類那些“源”在哪里，甚至可以讓我們一探黑洞的究竟。

不幸的是，建造中微子望遠鏡卻是一項令人望而生畏的挑戰。總體上說，一架中微子望遠鏡必須具有千米的尺度以便探測來自宇宙的微弱中微子流，要足夠透明以便光線可以在光學傳感器陣之間傳播，還要足夠深以此來屏蔽來自地球表面的干擾，同時還要在經費上可以承受。

2014 年7 月，中科院高能物理研究所宣布，由中國主持的第二個大型中微子實驗——江門地下中微子實驗將于今年年底動工。由來自全世界50 多個科研機構和大學的200 多位科學家組成的江門地下中微子實驗國際合作組正式成立。

2012 年，由中國科學家主持的大亞灣反應堆中微子實驗發現了中微子第三種振蕩模式，被國際粒子物理界評價為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。隨后中國科學家即醞釀江門中微子實驗。這一實驗將解決國際中微子研究領域下一個熱點和重大問題:中微子質量順序。

就在2014 年9 月24 日，以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX(“粒子和天體物理氙探測器”)發布了使用120 公斤級液氙探測器所獲得的首批數據。

預測希格斯粒子的科學家、2013 年諾貝爾物理學獎獲得者恩格勒教授6 月份在接受科技日報采訪時表示，中微子和暗物質以及宇宙學的新發現，未來都可能獲得諾貝爾獎。