黑夜里的中微子

( 美国物理学家雷蒙德·戴维斯 )

人们对于夜晚寄托了如此之多美好的感受，在黑夜中，人的感官似乎也变得更加敏锐，而物理学家们最近发现，在黑夜里，就连被人深埋在地下的中微子探测器似乎也更加灵敏，能够探测到比白天更多的来自太阳的中微子信号。这些中微子携带着太阳内部的信息，这让人意识到，我们也许可以利用黑夜的便利来探测太阳内部的秘密，甚至是地球自身的情况。

中微子算得上是迄今为止给人类带来困惑最多的基本粒子。在20世纪50年代中微子被发现之后，人们一度认为它没有质量。这种不可被破坏的基本粒子如同鬼魅一般，几乎不与其他物质发生相互作用，因此也极难于探测。正是因为如此，虽然每秒钟都会有来自太阳的数以千亿计的中微子穿过我们的身体，但是我们对此毫无知觉。

研究来自太阳的中微子的性质非常重要，因为中微子是太阳内部发生核聚变的产物之一，太阳无时无刻不在向外大量地辐射中微子，其中有一部分到达了地球。深入研究太阳中微子可以使人们更细致地理解在太阳内部发生核聚变的情况。

1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）在研究太阳中微子时发现，地球上观测到的来自太阳的中微子数量只是理论计算数值的三分之一左右，这被媒体称为“太阳中微子之谜”。究竟是理论计算出了错误，还是中微子的探测实验设置失误，或是中微子还有不为人所知的其他性质，这个疑问直到2001年才被解开。一组由加拿大、美国和英国科学家组成的研究小组通过对比位于加拿大的SNO中微子探测器和位于日本的Super-K中微子探测器的数据，发现SNO探测器探测到了理论数值三分之一左右的中微子，而Super-K探测器则探测到相当于理论数值的一半左右的中微子。这个差别就来自于Super-K探测器不光可以探测到太阳内部通过核聚变产生的电子中微子，还可以探测到另外两种更加难于探测的中微子：tau中微子和muon中微子。太阳内部产生的中微子总数与人们此前通过理论计算所得的数值相符，但是在这些电子中微子飞往地球的途中，一些电子中微子因为转变为另外两种中微子而无法被SNO探测器所探测到，而其中的一些则被Super-K探索器所捕获。这使人们认识到了中微子振荡现象，也让人们认识到中微子实际上具有极其微小的质量（雷蒙德·戴维斯在2002年因为对中微子的研究而获得诺贝尔物理奖）。

如今，这个被深埋在日本中部地下1000米的Super-K探测器在中微子探测领域仍然发挥着重要作用。因为中微子极少与其他物质发生相互作用，所以中微子探测器都极为庞大。Super-K探测器主要由12层结构，总共5万吨水，外加围绕在周围的1.3万个光电倍增管组成。这样，当太阳中微子与探测器中的水发生相互作用，就可能产生光信号，进而被光电倍增管所探测到。电子中微子是最容易被探测到的中微子类型，它比tau中微子和muon中微子被探测到的概率高出6倍，尽管如此，Super-K探测器每天也只能探测到1到2个中微子的信号。

( 位于日本的Super-K中微子探测器 )

那么，从长期的数据来看，Super-K中微子探测器的探测数据在白天和晚上有什么区别？来自美国加州大学欧文分校的物理学家安德鲁·伦肖（Andrew Renshaw）分析了这个探测器18年来的探测数据之后，通过统计手段发现，在夜晚观测到中微子信号的概率要比白天观测的概率高出3.2%——这个数据与人们此前在理论上对于中微子性质和地球密度判断的预测相符。2014年3月7日，伦肖与其他几十位作者共同在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志发表论文《地球物质对于太阳中微子振荡影响的首个迹象》（First Indication of Terrestrial Matter Effects on Solar Neutrino Oscillation）。尽管从科学标准来看，这个统计结果还不能被正式认为是一个“发现”（Detction），但是伦肖认为这已经是一个很强烈的指示。

Super-K探测器之所以探测到中微子的数量在白天与夜晚有所不同，很有可能是因为在夜里，中微子在离开太阳之后，要到达探测器还需要穿过地球，电子中微子在离开太阳时，因为与太阳中的电子发生相互作用而可能发生振荡成为其他类型的中微子，而这个振荡过程，在中微子穿越地球时，有可能又因为与地球内部的电子发生相互作用，出现反转，使之前振荡为其他类型的中微子重新转变为电子中微子，从而更容易被探测到，因此使得人们在黑夜里更容易探测到中微子的信号。

中微子与电子发生相互作用，这取决于中微子的能量，能量越高的中微子越有可能与电子发生相互作用产生振荡，这被称为MSW效应（Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein Effect），这个效应此前只是理论上存在而从来没有被实验观测到过。来自太阳的中微子是否经过地球，可以看作是MSW效应的“开关”，中微子经过地球内部，相当于MSW效应在某种程度上被反转，也就等于被部分关闭。因此，在地球上探测太阳中微子信号的夜间和日间的区别，可以被看作是对于MSW效应的实验证实，同时，这个实验数据也与人们对于地球内部物质密度的估算相符合，因此，对于太阳中微子的探测在另一个方面也可以看作是对于地球内部物质的探测。

人类对于中微子的研究已经超过了半个世纪，对于中微子的性质至今仍然没有详细的了解，甚至连它的确切质量也还不清楚。对太阳中微子的探测和研究关系到人们的宇宙学探索，人们通过埋藏在地球内部的中微子探测器来理解在太阳的核心发生核聚变的详细情况。通过研究这些鬼魅般的粒子，来感知温度是地球表面温度5万倍、密度是水的密度100倍的太阳内核的运动情况，对于太阳内核温度估算如果出现1%的偏差，就会导致对于中微子数量的估算出现30%的偏差，因此，对于太阳中微子数量的成功估算，说明人类对于太阳内部情况的理解相对正确，这对于人类理解恒星的演化过程有重大意义，而对中微子性质更为细致的探测，则仍然需要期待低能量中微子探测器的出现。

（本文写作参考了《物理评论快报》杂志的相关报道） 基本粒子黑夜科学电子中微子太阳地球质量