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      太陽(yáng)中微子“獵手”:雷蒙德·戴維斯

      2019-10-28 04:24:59王江山
      知識(shí)就是力量 2019年10期
      關(guān)鍵詞:雷蒙德中微子獵手

      王江山

      中微子是一種能夠穿越空間和固體物質(zhì)的亞原子粒子,它難以捉摸,與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱,具有神奇的穿透特性,被稱為“宇宙中最難以捉摸的獵物”。但有一位科學(xué)家靠著精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和超凡的耐心“抓住”了神出鬼沒的中微子,他第一個(gè)探測(cè)到了太陽(yáng)中微子的存在;他為太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變理論提供了最為直接和堅(jiān)實(shí)的支持;他和小柴昌俊在“探測(cè)宇宙中微子”方面取得的成就導(dǎo)致了中微子天文學(xué)的誕生……他就是2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯。

      開啟“尋獵”之旅

      1914年10月14日

      雷蒙德·戴維斯出生亍華盛頓,他的父親是美國(guó)匡家標(biāo)準(zhǔn)局(National Bu reaLof Standards)的一名攝景師。從小他就對(duì)科學(xué)感共趣,父親也鼓勵(lì)他進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn),甚至把家中的地下室送給他作實(shí)驗(yàn)室。

      1938年

      戴維斯在馬里蘭大學(xué)獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位,之后又獲得該校碩士學(xué)位;1942年,獲得耶魯大學(xué)物理化學(xué)博士學(xué)位。

      1948年春天

      戴維斯加入了致力于和平利用核能的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。在那里,他被要求“尋找一些有趣的東西來研究”,于是他將目光投向了中微子研究。中微子是一種基本粒子,不帶電,質(zhì)量極小,但在當(dāng)時(shí)沒有人能證明它是不是單獨(dú)存在。在早期的實(shí)驗(yàn)中,他試圖用布魯諾·龐蒂科夫(BrunoPontecorvo)建議的氯氬探測(cè)方法探測(cè)來自反應(yīng)堆的中微子。第一次嘗試沒有檢測(cè)到任何信號(hào),因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)堆的中微子流量太小,而且反應(yīng)堆發(fā)射出了反中微子,龐蒂科夫的方法卻只能探測(cè)中微子,而當(dāng)時(shí)的人們還不知道這兩種粒子是不同的。

      1954年

      為了更好地探測(cè)中微子,戴維斯在布魯克海文的反應(yīng)堆和薩凡納河(Savannah River)的一個(gè)反應(yīng)堆部署了含有氯原子的探測(cè)器。他不僅完善了實(shí)驗(yàn)方案,還開發(fā)了開采、氣體處理和計(jì)數(shù)所需的硬件。

      1958年

      1958年,霍爾格倫和約翰斯頓提出,質(zhì)子一質(zhì)子鏈中的一個(gè)末端反應(yīng)將產(chǎn)生高能中微子。這可以用氯一氬放射化學(xué)方法測(cè)量。受這些理論的啟發(fā),20世紀(jì)60年代,戴維斯在南達(dá)科他州霍姆斯特克礦井里放置了一個(gè)裝有富氯液體的儲(chǔ)存罐。探測(cè)器本身由一個(gè)約40萬升的裝有四氯乙烯(一種常用于干洗衣物的溶劑)的水箱組成,該實(shí)驗(yàn)在位于地下近1600米處進(jìn)行。在極少數(shù)情況下,中微子能與氯原子相互作用形成氬原子。通過計(jì)算這些氬原子,就可以探測(cè)到來自太空的中微子。

      1968年

      在改進(jìn)計(jì)數(shù)方法和實(shí)驗(yàn)條件后,戴維斯和團(tuán)隊(duì)終于成功地測(cè)量了太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子的流量,但奇怪的事情發(fā)生了:他測(cè)量到的中微子數(shù)量?jī)H有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型計(jì)算出來的1/3。這就是所謂“太陽(yáng)中微子問題”的起源。太陽(yáng)中微子問題一直困擾著物理學(xué)家和天體物理學(xué)家,當(dāng)時(shí)戴維斯認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型有問題,而許多物理學(xué)家認(rèn)為他的實(shí)驗(yàn)有問題。1976年,戴維斯和約翰·巴卡爾發(fā)表了論文《太陽(yáng)中微子:一個(gè)科學(xué)難題》,解釋了太陽(yáng)中微子問題的性質(zhì),他們認(rèn)為“這種差異導(dǎo)致了恒星演化理論的危機(jī)?!?h3>“捕獲”隱形獵物

      1984年

      戴維斯退休了,但他并不準(zhǔn)備就此放棄對(duì)太陽(yáng)中微子的探測(cè),直到20世紀(jì)90年代末,他還一直進(jìn)行著測(cè)量太陽(yáng)中微子流量的實(shí)驗(yàn)。但戴維斯多年的測(cè)量都產(chǎn)生了一致的答案,實(shí)驗(yàn)程序也非常嚴(yán)謹(jǐn),那太陽(yáng)中微子到底為什么缺失呢?為了解決這一困惑,科學(xué)家們提出,太陽(yáng)釋放的電子中微子可能在傳播到地球的過程中發(fā)生了轉(zhuǎn)換,變成了其他類型的中微子,因?yàn)樽匀唤邕€存在另外兩種中微子:“u中微子”和“T中微子”,而他們當(dāng)時(shí)的方法只能探測(cè)到電子中微子,這就是“中微子振蕩”的觀點(diǎn)。如果這三種中微子之間可以相互轉(zhuǎn)換,就意味著中微子的靜止質(zhì)量并不為零,這將對(duì)粒子物理學(xué)的許多基本觀念提出挑戰(zhàn)。

      1998年

      日本的超級(jí)神岡探測(cè)器首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù),表明u中微子轉(zhuǎn)換成了一r中微子。2001年,加拿大的薩德伯里中微子天文臺(tái)發(fā)表了測(cè)量結(jié)果,探測(cè)到了太陽(yáng)發(fā)出的全部三種中微子,其中35%是電子中微子。三種中微子的總流量與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的預(yù)言相符,徹底解決了先前觀測(cè)到的太陽(yáng)中微子缺失的問題。

      2002年

      戴維斯、日本物理學(xué)家小柴昌俊和意大利物理學(xué)家里卡爾多·賈科尼分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),以表彰他們對(duì)天體物理學(xué)的開創(chuàng)性研究。戴維斯和其他科學(xué)家的研究讓人們得以檢測(cè)瀕臨滅亡的恒星,并進(jìn)一步了解宇宙。

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