中微子的探测

中微子的探测

就像裂变过程中，由于大量的中子转变成质子必然会产生大量的反中微子一样，聚变过程中也会由于等量的这两种粒子的转变而产生大量的中微子。例如，在氢聚变成氦的过程中，由4个质子合在一起组成的4个氢核转变成由2个质子和2个中子组成的1个氦核。在这个过程中，形成了2个正电子，以及随之而来的2个中微子。

虽然我们可以从正在运行的裂变反应堆中获得反中微子流，但是我们还不能从正在运行的聚变反应堆中获得中微子流。不可控制的氢弹聚变在一瞬间就能产生中微子流，但是要想利用这种中微子流，就必须在离爆炸点很近的地方工作，这是一种非常不切实际的想法。然而，在远离我们9 300万英里（约1.5亿千米)的地方确实存在着一个巨大的、连续“爆炸”的氢弹——太阳。它每秒钟都产生数目惊人的中微子，而且已经持续了大约45亿年。

聚变发生在太阳的中心，并产生光子。光子很容易与其他物质发生相互作用，因此它们会被吸收、重新发射、再吸收，就这样无穷无尽地进行下去。光子从太阳的中心行进至太阳表面要花很长很长的时间，然后被发射到宇宙空间中去，其中有一些来到了地球。因此，这些光子在太阳内部行进的过程中已经发生了很多变化。然而，似乎没有人能告诉我们太多关于太阳中心发生的事情。

中微子的情况就不同了，它们形成后很少与其他物质发生相互作用。它们从太阳中心移至太阳表面只需要2秒钟多一点的时间。（由于中微子没有质量，它就像光子和引力子一样以光速行进。)一旦中微子到达太阳表面，它们就继续向前，如果碰巧朝着地球的方向，只需8分钟就能到达地球。

由于这些中微子是直接从太阳中心来到地球的，这样至少使我们有机会能通过这些粒子的特性来获取有关太阳中心的资料，这用其他办法是不可能做到的。探测太阳中微子比单纯证明中微子的存在要有意义得多。这是在对太阳进行研究。

为了探测中微子，我们必须利用粒子的相互作用，但是一定要与探测反中微子时所利用的那种相互作用刚好相反。为了探测反中微子，我们让它们去撞击质子，从而产生中子和正电子。而要探测中微子，我们就必须让它们去撞击中子，从而产生质子和电子。在探测反中微子的过程中，我们选择的撞击目标应该含有丰富的质子，如水。而探测中微子时我们所需的目标应含有丰富的中子，为此我们必须利用富中子核。

意大利物理学家蓬泰科尔沃（Bruno M.Pontecorvo，1913—1993)建议采用特别富含中子的核——氯37，它的核由17个质子和20个中子组成。如果氯37吸收1个中微子，它的1个中子就会转变成质子，同时放出1个电子。

但是为什么这种富中子核会比其他核更好呢？因为当氯37的核失去一个中子、增加一个质子时，它就变成了氩37（含18个质子和19个中子)，它是一种气体，很容易从含氯37核的物质中分离出来。找到这种气体就表明被吸收的是中微子，而不是别的东西。

然而，要获得含氯37的撞击目标，最佳方法似乎是采用氯本身，但氯也是一种气体，要想从氯气中分离出含量非常小的另一种气体是很困难的。我们也许可以使氯液化（在氯呈液态时的温度下，氩仍为气体)，但是那就需要冷冻。如果采用室温下为液态的化合物，而这种化合物的分子中又含有大量的氯原子，那岂不方便得多？

四氯乙烯是这类化合物中的一种，它的每个分子都由2个碳原子和4个氯原子组成。这是一种通常用于干洗的化合物，价格也不太贵。即使只有很少量的氩37原子生成，它们也能被冲出液面，从而被探测到。因为氩37具有放射性，即便只有极少量的氩37，也能根据其蜕变特征将其识别出来。

美国物理学家戴维斯（Raymond E.Davis)就是利用这种相互作用证实了中微子是确实存在的。

1965年初，反中微子的发现者之一莱因斯开始着手探测太阳中微子。他将大桶大桶的四氯乙烯深深地埋入矿井中，使它们与地表之间隔着1英里（约1.609 3千米)左右的岩石。这样，岩石就会吸收所有的辐射，甚至包括宇宙线粒子，只有中微子除外，它可以很轻易地穿过整个地球。（当然，也许还会有一些粒子从周围岩石中的放射性物质中生成。)

人们可能偶然会想到，必须在地下1英里这样的有利地点对太阳进行研究，而莱因斯正是这样去做的。然而，无论他如何改进技术并改善实验设备，他所探测到的中微子数量从来没有超过预期值的1/3。

这是为什么呢？这也许是观测机制在某些方面不太合适；或者是我们对中微子的了解还不够全面；或者说我们关于太阳中心的理论是错误的。但“中微子失踪之谜”还是始终不能得到解决，而当这一问题解决的时候，肯定是非常激动人心的。

假如太阳能产生中微子，那么我们可以肯定，其他恒星也同样能产生中微子。然而，即使是最近的恒星半人马座α星（一个包含两颗类似于太阳的恒星以及一颗暗淡矮星的小星系)离我们的距离也大约是我们离太阳距离的270 000倍。从半人马座α星到达地面的中微子数充其量也不过是来自太阳的中微子数的五百亿分之一。我们只能勉强探测到由太阳发射出来的中微子，因此不可能有一丝机会探测到来自其他正常恒星的任何中微子。

但是，并非所有恒星都是正常的。像巨大的超新星那样的恒星一旦爆发，各种类型的辐射都会突然增加1 000亿倍。

1947年2月，这种超新星出现在距我们150 000光年远的大麦哲伦星云中。它离我们的距离是半人马座α星的33 000倍，但是它产生的中微子流却比较多。它是将近400年中离我们最近的超新星，使我们有机会用拥有的第一个“中微子望远镜”进行探测，就像莱因斯已经做过的那样。

一个这样的望远镜就被安置在阿尔卑斯山的下面。在那里，一个由意大利和苏联天文学家组成的小组，在能用肉眼看到超新星的前一天晚上，探测到了7个突然出现的中微子。由此证明，随着天文学家不断提高他们探测和研究中微子的能力，他们不仅能知道更多有关太阳中心的情况，而且还能知道有关巨大的恒星爆发的情况，也许还能知道其他一些天文方面的知识。