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太阳的故事 (十)

- 卢昌海 -

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十. 标准太阳模型 vs 粒子物理标准模型

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注释

1. 研究太阳中微子问题涉及理论、 实验及观测等诸多方面， 参与者来自许许多多不同领域， 但为行文简洁起见， 本节将把参与者统称为 “物理学家”， 这里预先向其它各 “家” 致以歉意。
2. 在这里顺便提一下， 在调低太阳核心温度的同时除了要维持太阳的光度外， 还必须维持它的核心压强， 因为那是抵抗引力坍缩的资本。 为了维持太阳的核心压强， 物理学家们也引进了一些假设， 比如假设太阳核心具有速度惊人的自转， 从而能用离心力来抵御一部分引力； 或假设太阳核心存在强度惊人的磁场， 从而能用磁场压来抵御一部分引力。 这些假设各有各的问题， 比如核心的高速旋转会使太阳的整体形状及引力四极矩发生变化， 与观测矛盾； 而太阳核心的强磁场即便存在， 也会很快衰减。
3. 这三种中微子分别用电子、 μ 子及 τ 子这三种带电轻子来命名不是偶然的， 它们之间的一一对应是粒子物理标准模型的基本特征之一。
4. 确切地讲， 在太阳中微子的能量范围内， Homestake、 SAGE 及 GALLEX 探测器都只能探测电子中微子， 神岡及超级神岡探测器则有一定的能力探测 μ 子中微子和 τ 子中微子， 但敏感度只有探测电子中微子的 15% 左右。
5. 读者也许会觉得奇怪， 在太阳中微子问题尚未出现， 实验上又还没发现第二种中微子的年代， 庞蒂科夫同学为什么要提出中微子振荡呢？ 那是因为不久之前， 人们刚刚发现了中性 K 介子系统中的粒子振荡现象。 由于中微子也是中性的， 因而庞特考沃猜测它也具有类似性质。
6. 有读者也许会问： 中微子已经很 “微” 了， 它还能衰变成什么呢？ 一般认为， 那可能会是标准模型中不存在的所谓右旋中微子或左旋反中微子。 那种粒子比中微子更不像话， 连弱相互作用都不参与， 因而被称为惰性中微子 (sterile neutrino)。 不过， 惰性中微子若是存在， 其质量有可能相当大， 在有些模型中甚至可以达到大统一能标 (10¹⁵GeV) 的量级， 比质子还重一千万亿倍。 因此， 以它为衰变产物的中微子衰变其实在理论上就不太可能。
7. 若无特殊说明， 当我们提到微观粒子的质量时， 指的都是静质量。
8. 这是因为， 我们通常所说的电子中微子、 μ 子中微子和 τ 子中微子都是依据它们参与弱相互作用的方式来区分的， 用物理学家们的术语来说， 是所谓的弱本征态。 在中微子全都无质量的情形下， 那就是区分中微子的唯一方式。 但假如中微子有质量， 我们就可以引进另一种区分方法， 即按照质量来区分。 那样区分出来的中微子状态被称为质量本征态。 一般来说， 弱本征态与质量本征态是彼此混合但互不相同的， 通俗地讲就是 “你中有我， 我中有你”， 这正是中微子振荡的温床。 因此中微子振荡只有在中微子有质量 (并且质量彼此不同) 时才会发生。
9. 确切地说， 是与中微子质量本征值的平方差、 中微子的能量、 中微子弱本征态与质量本征态之间的混合矩阵 (mixing matrix)， 以及中微子的飞行距离等因素有关。
10. 超级神岡探测器所检测的是宇宙线在地球大气层中产生的 μ 子中微子与电子中微子的相对数目随中微子入射方向的变化。 由于入射方向不同的中微子从产生到被检测之间的飞行距离各不相同 (两个极端情形是： 自上而下入射的中微子的飞行距离约为大气层的厚度， 即十几公里； 自下而上的中微子的飞行距离则为整个地球的直径， 即约 13000 公里)， 如果存在中微子振荡， 它们应该有不同的转变概率。 通过研究这种转变概率与飞行距离的关联， 物理学家们不仅证实了中微子的振荡， 而且对某些中微子参数进行了估计。
11. 具体地讲， 除中性流反应外， 中微子与重水之间还可以发生另外两类反应： 一类是所谓的带电流反应 (charged current reaction)， 它使氘核分裂为两个质子 (同时放出一个电子以平衡电荷)， 在太阳中微子的能量范围内， 这种反应只能由电子中微子诱发， 从而只能检测电子中微子。 另一类则是与神岡及超级神岡探测器所用相同的反应， 即中微子与电子的碰撞， 它对电子中微子最敏感， 但同时也有 15% 左右的相对敏感度检测到 μ 子中微子和 τ 子中微子。

二零一零年十月一日写于纽约
二零一零年十月一日发表于本站
https://www.changhai.org/

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网友讨论选录

• 网友： 星空浩淼   (发表于 2010-10-01)

  这篇写得比以前的更好， 堪称经典之作。 虽然文章很长， 读起来却一点都不乏味， 科学性、 严格性和趣味性同时兼备。

  期待下一篇接着谈论中微子的质量问题。 说来惭愧， 我一直没有来得及了解这部分问题。 标准模型中解释宇称不守恒时， 利用中微子静止质量为零这一特点； 那么一旦中微子有了质量， 我不明白宇称不守恒怎么解释？ 传统教材讲述规范场论的时候， 也是把中微子静止质量取为零来论述的， 一旦不为零了， 那些方面都要做相应的更改。

• 卢昌海   (发表于 2010-10-01)

  下一篇不能再讲中微子了， 否则就离题了。 中微子有质量后的标准模型依然有手征性， 不妨碍它解释原先能解释的现象。

• 网友： absence   (发表于 2010-10-01)

  Neutrino oscillations, Wikipedia 对无质量粒子不发生振荡的解释： A zero mass particle would have to travel at the speed of light. At the speed of light, time stands still so no change (and, therefore, no oscillation) is possible. Therefore if particles change, they must have mass.

• 卢昌海   (发表于 2010-10-01)

  那种讲法不是很合适。 首先是所谓 “At the speed of light, time stands still” 这样的讲法把数学上 singular 的东西当作普通现象来讲不合适； 其次是那种讲法不能解释为什么在中微子具有相同但非零质量时不发生振荡。

• 来自 192.16 的游客   (发表于 2010-10-02)

  这个故事里面很值得我们学习的是 John Bahcall 的科学态度。 Frank Wilczek 评论道， 太阳模型有着不少可调参数， 而当 Bahcall 依据模型做出预言时， 他总是选择从物理和天文观测角度来讲最佳的参数， 而不是调整参数去符合中微子观测结果。 没有他四十年来坚持诚实严谨的科学态度， 中微子天体物理不可能有今日的成就。 Bahcall 没有得到诺贝尔奖是诺贝尔奖委员会的一大失误。 今天的很多天体物理模型——尤其是构建早期宇宙学模型——中太缺乏 Bahcall 这种科学精神了。

• 来自 71.108 的游客   (发表于 2010-10-07)

  “庞特科夫” 实际上是意大利人， 一般好像译成 “蓬泰科尔沃”。 年轻的时候可能是费米组里的人， 费米夫人的《原子在我家中》里提到过他。 好像是二战后神秘地去了苏联。

• 卢昌海   (发表于 2010-10-08)

  谢谢来自 71.108 的游客。 把老庞说成俄国物理学家确实不妥， 他出生在意大利， 1936 年之后辗转多国， 1950 年才前往苏联， 并曾得到过英国和苏联的国籍 (英国后来因认为他泄露军事机密而取消了他的英国国籍)， 经历相当复杂。 我将他的说明改成 “出生于意大利的核物理学家” 了。 至于名字， 暂时采用中文维基的译名 “庞蒂科夫” 吧。

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