Solving the mystery of the missing neutrinos

日期:2022/09/18   IAE 

解開中微子失踪之謎 

Solving the mystery of the missing neutrinos

by John N. Bahcall*

約翰·諾里斯·巴考爾（英語：John Norris Bahcall，1934年12月30日－2005年8月17日），美國天體物理學家，最知名於對太陽中微子問題的貢獻，對哈伯太空望遠鏡的開發和對普林斯頓高級研究院的領導。

2001年至2003年的三年是太陽中微子研究的黃金時期。 在此期間，科學家們解開了一個他們苦苦掙扎了 4 年的謎團。 事實證明，這個解決方案對物理學和天文學都很重要。 在這篇文章中，我講述了那美妙的三年的故事。 1

前兩節總結了太陽中微子之謎，並介紹了過去三年中找到的解決方案。 接下來的兩節描述了該解決方案對物理學和天文學的意義。 以下部分概述了在太陽中微子研究中剩下要做的事情，並給出我個人的看法，為什麼要花 30 多年的時間來解開失踪中微子之謎。 最後一部分提供了對該解決方案的回顧性印象。

在 20 世紀上半葉，科學家們確信太陽是通過在其內部深處將氫轉化為氦來發光的。根據這一理論，四個稱為質子 (p) 的氫核在太陽內部變成一個氦核 (4He)、兩個反電子（e+，帶正電的電子）和兩個難以捉摸的神秘粒子，稱為中微子。這種核轉換或核聚變過程被認為是產生陽光的原因，因此也影響了地球上的所有生命。涉及許多不同核反應的轉化過程可以簡寫為：

等式（1）。
每次發生聚變反應 (1) 時都會產生兩個中微子。由於四個質子比氦核、兩個正電子和兩個中微子重，因此反應 (1) 向太陽釋放大量能量，最終以陽光的形式到達地球。該反應非常頻繁地發生。中微子很容易從太陽中逃逸，它們的能量不會以太陽熱或陽光的形式出現。有時中微子產生的能量相對較低，而太陽會產生大量熱量。有時中微子產生的能量更高，而太陽獲得的能量更少。

方程（1）中的中微子和下圖是我們在本文中探索的奧秘的焦點。

中微子的電荷為零，很少與物質相互作用，而且——根據粒子物理學標準模型的教科書版本——是無質量的。每秒大約有 1000 億個來自太陽的中微子穿過你的縮略圖，但你感覺不到它們，因為它們與物質的相互作用如此之少且如此微弱。中微子實際上是堅不可摧的。他們幾乎什麼都沒有發生。對於穿過地球的每一千億個太陽中微子，只有大約一個與構成地球的物質發生相互作用。因為它們很少相互作用，中微子可以很容易地從產生它們的太陽內部逸出，並將有關太陽聚變反應的直接信息帶給地球上的我們。已知有三種中微子。太陽中的核聚變只產生與電子相關的中微子，即所謂的電子中微子中微子。另外兩種類型的中微子，μ子中微子中微子和τ中微子中微子，是在實驗室加速器或爆炸恆星中產生的，以及更重的電子，即μ子和τ子粒子。

by John N. Bahcall*

The three years 2001 to 2003 were the golden years of solar neutrino research. In this period, scientists solved a mystery with which they had been struggling for four decades. The solution turned out to be important for both physics and for astronomy. In this article, I tell the story of those fabulous three years.1

The first two sections summarize the solar neutrino mystery and present the solution that was found in the past three years. The next two sections describe what the solution means for physics and for astronomy. The following sections outline what is left to do in solar neutrino research and give my personal view of why it took more than thirty years to solve the mystery of the missing neutrinos. The last section provides a retrospective impression of the solution.