建造一个十层楼大小的探测器，放置在地下两公里处，似乎是研究太阳现象的一种奇怪方式。然而，事实证明，这正是解开关于太阳内部物理过程的数十年难题的关键。英国物理学家亚瑟·爱丁顿早在 1920 年就提出核聚变是太阳的动力来源，但 20 世纪 60 年代确认这一观点的关键细节的努力遇到了障碍：旨在探测太阳核聚变反应的独特副产品——被称为中微子的幽灵粒子——的实验，只观察到了预期数量的一小部分。直到 2002 年，安大略省地下萨德伯里中微子天文台 (SNO) 的结果才使物理学家们解决了这个难题，从而完全证实了爱丁顿的提议。
与所有旨在研究太阳的地下实验一样，SNO 的主要目标是探测中微子，这些中微子在太阳核心中大量产生。但与过去三十年中建造的大多数其他实验不同，SNO 使用重水探测太阳中微子，在重水中，每个水分子中的氢原子都添加了一个中子（形成氘）。额外的中子使 SNO 能够以前所未有的方式观察太阳中微子，平等地计算所有三种类型或“味”的中微子。利用这种能力，SNO 已经证明，早期实验中看到的太阳中微子不足并非源于测量不佳或对太阳的误解，而是源于新发现的中微子自身的特性。
具有讽刺意味的是，我们对太阳的最佳理论的证实暴露了粒子物理学标准模型中的第一个缺陷——我们关于物质最基本组成部分如何表现的最佳理论。现在，我们对太阳运行方式的理解比对微观宇宙运行方式的理解还要深入。
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问题
第一个太阳中微子实验由 Raymond Davis, Jr. 于 20 世纪 60 年代中期进行，他当时在宾夕法尼亚大学，该实验旨在辉煌地证实太阳能发电的聚变理论，并开启一个新领域，在该领域中，中微子可用于更多地了解太阳。戴维斯的实验位于南达科他州利德附近的 Homestake 金矿中，通过放射化学技术探测中微子。探测器包含 615 公吨液态四氯乙烯或干洗液，中微子将这种液体中的氯原子转化为氩原子。但与理论预测的每天产生一个氩原子不同，戴维斯每 2.5 天才观察到一个。（2002 年，戴维斯因在中微子物理学方面的开创性工作而与东京大学的小柴昌俊分享了诺贝尔奖。）在戴维斯之后进行的三十年实验都发现了类似的结果，尽管使用了各种技术。来自太阳的中微子数量始终明显少于预测的总数，在某些情况下低至三分之一，在另一些情况下高达五分之三，具体取决于所研究的中微子的能量。由于不了解为什么预测和测量结果如此不同，物理学家不得不搁置最初通过观察中微子来研究太阳核心的目标。
当实验人员继续进行他们的中微子实验时，新泽西州普林斯顿高等研究院的已故 John Bahcall 和其他理论家改进了用于预测太阳中微子产生率的模型。这些理论模型很复杂，但只做了几个假设——太阳是由改变元素丰度的核反应提供能量，这种能量产生向外的压力，与向内的引力拉力相平衡，能量通过光子和对流传输。太阳模型继续预测中微子通量超过测量值，但他们做出的其他预测，例如在太阳表面看到太阳地震振动的光谱，与观测结果非常吻合。
预测和测量之间的神秘差异被称为太阳中微子问题。尽管许多物理学家仍然认为，探测中微子和计算太阳中微子产生率的内在困难是造成这种差异的原因，但第三种替代方案变得广受欢迎，尽管它具有一定的革命性意义。粒子物理学的标准模型认为，存在三种完全不同的、无质量的中微子味：电子中微子、μ子中微子和 τ 子中微子。太阳中心的聚变反应只能产生电子中微子，而像戴维斯这样的实验旨在专门寻找这种味：在太阳中微子能量下，只有电子中微子才能将氯原子转化为氩原子。但是，如果标准模型不完整，并且中微子味不是不同的，而是以某种方式混合在一起，那么来自太阳的电子中微子可能会转变成其他味之一，从而逃避探测。
中微子味改变最受青睐的机制是中微子振荡 [参见第 26 页和 27 页的方框]，这要求中微子味（电子中微子、μ子中微子和 τ 子中微子）由具有不同质量的中微子态（表示为 1、2 和 3）的混合物组成。然后，电子中微子可能是状态 1 和 2 的混合物，而 μ 子中微子可能是相同两个状态的不同混合物。理论预测，当这些混合中微子从太阳传播到地球时，它们会在一种味和另一种味之间振荡。
1998 年，超级神冈探测器合作组织提供了中微子振荡的有力证据，该组织发现，宇宙射线在上层大气中形成的 μ 子中微子正在消失，消失的概率取决于它们传播的距离。这种消失可以用中微子振荡很好地解释，在这种情况下，μ 子中微子可能正在变成 τ 子中微子。前者很容易被超级神冈探测器在宇宙射线能量下探测到，并且可能正在变成 τ 子中子，后者大多逃避探测 [参见 Edward Kearns、梶田隆章和户冢洋二的《探测大质量中微子》；《大众科学》，1999 年 8 月]。
类似的过程可以解释太阳中微子不足。在一种情况下，中微子会在从太阳到地球的八分钟太空真空旅程中振荡。在另一种模型中，振荡会在穿过太阳本身的前两秒钟内增强，这种效应是由每种中微子味与物质相互作用的不同方式引起的。每种情况都需要其自身特定范围的中微子参数——质量差异和味的内在混合量。然而，尽管有来自超级神冈探测器和其他实验的证据，但中微子仍有可能通过振荡以外的其他过程消失。直到 2002 年，科学家们还没有直接证据表明太阳中微子振荡，在这种振荡中，转化的太阳中微子本身被探测到。
天文台
萨德伯里中微子天文台旨在通过使用其 1000 吨重水与中微子的几种不同相互作用来探测中微子，从而寻找这种直接证据。其中一种反应专门计数电子中微子；其他反应计数所有味，而不区分它们。如果到达地球的太阳中微子仅由电子中微子组成——因此没有发生味转化——那么所有味的中微子计数将与单独电子中微子的计数相同。另一方面，如果所有味的计数远远超过电子中微子的计数，那将证明来自太阳的中微子正在改变味。
SNO 能够单独计数电子中微子和所有味的关键在于重水的氘核，也称为氘核。氘核中的中子产生两个独立的中微子反应：中微子吸收，其中电子中微子被中子吸收并产生电子；氘核破裂，其中氘核被分解，中子被释放。只有电子中微子才能发生中微子吸收，但任何味的中微子都可以使氘核破裂。SNO 探测到的第三个反应，即中微子散射电子，也可以用于计数电子中微子以外的中微子，但与氘核破裂反应相比，它对 μ 子中微子和 τ 子中微子不太敏感 [参见前两页的方框]。
SNO 并不是第一个使用重水的实验。在 20 世纪 60 年代，凯斯西储大学的 T. J. Jenkins 和 F. W. Dix 在早期尝试观察来自太阳的中微子时使用了重水。他们在地面上使用了约 2,000 升（两吨）重水，但太阳中微子的迹象被宇宙射线的影响淹没了。1984 年，加州大学欧文分校的 Herb Chen 提议将加拿大 CANDU 核反应堆计划中的 1,000 吨重水运到萨德伯里 INCO 有限公司 Creighton 镍矿的底部——这个位置足够深，可以清晰地测量太阳中微子的中微子吸收和氘核破裂。
这一提议促成了 SNO 合作组织——最初由安大略省金斯顿皇后大学的 Chen 和 George Ewan 领导——并最终创建了 SNO 探测器。1,000 吨重水保存在直径 12 米的透明丙烯酸容器中。重水由固定在直径 18 米的测地线球体上的 9,500 多个光电倍增管观察 [参见第 25 页的插图]。每个管都可以探测到单个光子。整个结构浸没在超纯普通水中，普通水填充了从地球表面以下两公里处的岩石中挖出的空腔。
SNO 的测量
由于太阳中微子与物质相互作用的极弱性，因此可以在地下深处观察到太阳中微子。在白天，中微子很容易穿过两公里的岩石到达 SNO，在晚上，它们几乎同样不受穿过地球数千公里的影响。这种微弱的耦合使它们从太阳天体物理学的角度来看很有趣。太阳中心产生的大部分能量需要数万年才能到达太阳表面并以阳光的形式离开。相比之下，中微子在两秒钟后就会出现，直接来自太阳能产生点。
由于整个太阳和整个地球都无法阻止中微子的通过，因此用仅重 1,000 吨的探测器捕获它们构成了一定的挑战。但是，尽管进入 SNO 的绝大多数中微子都穿过了它，但在极少数情况下，会有一个中微子——仅凭偶然性——与电子或原子核碰撞并沉积足够的能量以被观察到。有了足够的中微子，即使这些相互作用的稀有性也可以克服。幸运的是，太阳的中微子输出量非常大——每秒钟有五百万个高能太阳中微子穿过地球的每平方厘米——这导致每天在 SNO 的 1,000 吨重水中观察到大约 10 个中微子事件或相互作用。SNO 中发生的三种类型的中微子反应都会产生高能电子，这些电子可以通过它们产生的切伦科夫光来探测到——切伦科夫光是由快速移动的粒子像冲击波一样发射出的锥形光。
然而，这种少量中微子事件必须与由其他粒子引起的切伦科夫光闪烁区分开来。特别是，宇宙射线 μ 子在上层大气中不断产生，当它们进入探测器时，它们可以产生足够的切伦科夫光来照亮每个光电倍增管。地球表面和 SNO 之间数公里的岩石将宇宙射线 μ 子的涌入量减少到每小时仅三个的涓涓细流。尽管每小时三个 μ 子的速率远高于每天观察到的 10 个中微子事件，但这些 μ 子很容易通过它们在探测器外部普通水中产生的切伦科夫光与中微子事件区分开来。
假中微子计数的更险恶来源是探测器材料本身的固有放射性。探测器内部的一切——从重水本身到容纳它的丙烯酸容器，再到光电倍增管和支撑结构的玻璃和钢——都含有微量的天然放射性元素。同样，矿井中的空气含有放射性氡气。每次 SNO 探测器内部这些放射性元素中的原子核衰变时，它都会释放出一个高能电子或伽马射线，并最终产生模仿中微子信号的切伦科夫光。SNO 中使用的水和其他材料都经过净化，以去除大部分放射性污染物（或选择天然纯净的材料），但即使是十亿分之一的含量也足以用假计数压倒真正的中微子信号。
因此，SNO 面临的任务非常复杂——它必须计数中微子事件，确定有多少是由三种反应中的每一种引起的，并估计有多少明显的中微子是由其他原因引起的，例如放射性污染。分析步骤中任何一个步骤中低至百分之几的误差都会使 SNO 对电子中微子通量与总中微子通量的比较变得毫无意义。在 1999 年 11 月至 2001 年 5 月的 306 天运行期间，SNO 记录了近 5 亿个事件。到数据缩减完成时，其中只有 2,928 个保留为候选的中微子事件。
SNO 无法唯一确定给定的候选中微子事件是否是特定反应的结果。通常，像第 26 页所示的事件可能同样是氘核破裂或中微子吸收的结果。幸运的是，当我们检查许多事件时，反应之间的差异就会显现出来。例如，氘核破裂，即重水中氘核的分裂，总是产生相同能量的伽马射线，而中微子吸收和电子散射产生的电子具有广泛的能量谱。同样，电子散射产生的电子会远离太阳传播，而氘核破裂产生的切伦科夫光可以指向任何方向。最后，反应发生的地点也不同——例如，电子散射在轻水外层和重水中一样容易发生；其他反应则不然。通过理解这些细节，SNO 研究人员可以统计确定将观察到的事件中的多少分配给每个反应。
这种理解是完整核物理实验本身测量结果的结果：为了确定如何使用切伦科夫光测量能量，将具有已知能量的放射源插入探测器内部。为了测量切伦科夫光如何在探测器中的各种介质（水、丙烯酸、光电倍增管）中传播和反射，使用了可变波长激光光源。放射性污染的影响通过类似的实验进行评估，包括使用专门为 SNO 设计的新技术对水进行放射性分析。
对于最终的 SNO 数据集，经过统计分析，576 个事件被分配给氘核破裂，1,967 个事件被分配给中微子吸收，263 个事件被分配给电子散射。放射性和其他背景导致剩余的 122 个事件。从这些事件数量中，必须根据任何特定中微子破裂氘核、被吸收或散射电子的极小概率，计算出有多少实际的中微子必须通过 SNO。所有计算的结果是，观察到的 1,967 个中微子吸收事件代表每秒钟有 175 万个电子中微子穿过 SNO 探测器的每平方厘米。这仅占太阳模型预测的中微子通量的 35%。因此，SNO 首先证实了其他太阳中微子实验所看到的——来自太阳的电子中微子数量远小于太阳模型的预测。
然而，关键问题是，来自太阳的电子中微子数量是否明显小于所有味的中微子数量。事实上，分配给氘核破裂的 576 个事件代表每平方厘米每秒 509 万的总中微子通量——远大于中微子吸收测量的 175 万电子中微子。这些数字以高精度确定。它们之间的差异是实验不确定性的五倍以上。
通过氘核破裂测量的过量中微子意味着，到达太阳的总共 509 万个中微子中，近三分之二要么是 μ 子中微子，要么是 τ 子中微子。太阳的聚变反应只能产生电子中微子，因此其中一些必须在到达地球的途中发生转化。因此，SNO 直接证明，中微子的行为不符合标准模型描述的三种不同的无质量味的简单方案。在 30 年的尝试中，只有超级神冈探测器和 SNO 等实验表明，基本粒子具有标准模型中未包含的特性。中微子味转化的观测结果提供了直接的实验证据，表明关于微观宇宙还有更多有待发现。
但是，太阳中微子问题本身呢——电子中微子转化为另一种味的发现是否完全解释了过去 30 年观察到的不足？是的：推断出的 509 万个中微子与太阳模型的预测非常吻合。我们现在可以声称，我们确实了解太阳产生能量的方式。在经历了长达三十年的弯路之后，我们发现太阳可以告诉我们关于中微子的新信息，我们终于可以回到戴维斯的最初目标，开始利用中微子来了解太阳。例如，中微子研究可以确定太阳能量有多少是由氢原子的直接核聚变产生的，有多少是由碳原子催化的。
SNO 发现的意义甚至更深远。如果中微子通过振荡改变味，那么它们不可能是无质量的。继光子之后，中微子是宇宙中第二多的已知粒子，因此即使是很小的质量也可能具有重要的宇宙学意义。诸如 SNO 和超级神冈探测器之类的中微子振荡实验仅测量质量差异，而不是质量本身。然而，表明质量差异不为零，证明至少某些质量不为零。将质量差异的振荡结果与来自其他实验的电子中微子质量上限相结合表明，中微子占扁平宇宙临界密度的 0.3% 到 21% 之间。（其他宇宙学数据强烈表明宇宙是扁平的。）这个量不可忽略（它大致相当于气体、尘埃和恒星产生的 4% 的密度），但它还不足以解释宇宙中似乎存在的所有物质。由于中微子是可能构成缺失暗物质的最后已知粒子，因此必须存在一些当前物理学未知的一种或多种粒子——并且其密度超过我们所知的一切。
未来
SNO 还在寻找物质对中微子振荡影响的直接证据。如前所述，穿过太阳的旅行可以提高振荡的概率。如果发生这种情况，中微子穿过地球数千公里的过程可能会导致过程的轻微逆转——晚上太阳发出的电子中微子可能比白天更亮。SNO 的数据显示，与白天相比，晚上到达的电子中微子略有增加，但到目前为止，该测量结果尚不足以确定该效应是否真实。
前面描述的 SNO 结果仅仅是开始。对于此处引用的观测结果，中子是通过观察关键氘核破裂事件中它们被其他氘原子捕获而探测到的——这是一个产生的光很少的低效过程。2001 年 5 月，向重水中添加了两吨高纯氯化钠（食盐）。氯核捕获中子的效率远高于氘核，产生的事件具有更多的光，并且可以与中微子吸收反应和背景区分开来。
因此，SNO 对氘核破裂率进行了单独且更灵敏的测量。这些测量结果于 2003 年报告，有力地证实了之前的 SNO 测量结果，并以更高的精度确定了中微子特性。SNO 合作组织还构建了一个称为比例计数器的超净探测器阵列，在去除盐后于 2003 年部署在整个重水中，以直接观察氘核破裂反应产生的中子。制造这些探测器是一项首要的技术挑战，因为它们必须具有极低的固有放射性背景水平——相当于每年每米探测器约计数一次。这些设备允许对中微子特性进行许多进一步的详细测量。
SNO 具有独特的功能，但它并不是唯一的选择。2002 年 12 月，日本-美国的一项名为 KamLAND 的新实验的初步结果公布。KamLAND 探测器位于超级神冈探测器所在地，研究日本和韩国附近所有核反应堆产生的电子反中微子。如果物质增强的中微子振荡解释了 SNO 看到的味变化，那么理论预测这些反中微子也应该在数十或数百公里的距离内改变味。事实上，KamLAND 已经看到了太少的电子反中微子，这意味着它们在从核反应堆到探测器的途中正在振荡。KamLAND 的结果暗示了与之前 SNO 看到的中微子特性相同的特性。
未来的中微子实验可能会探测宇宙中最大的谜团之一：为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的？俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫首先指出，要从纯能量的大爆炸演变为当前以物质为主的宇宙，就需要物理定律对粒子和反粒子有所不同。这被称为 CP（电荷-宇称）破坏，对粒子衰变的灵敏测量已经证实，物理定律违反了 CP。问题是，迄今为止看到的 CP 破坏不足以解释我们周围的物质数量，因此我们尚未观察到的现象一定隐藏着更多的 CP 破坏。一个可能的隐藏场所是中微子振荡。
观察违反 CP 的中微子振荡将是一个多阶段过程。首先，物理学家必须看到电子中微子出现在强烈的 μ 子中微子束中。其次，必须建造更高强度的加速器，以产生如此强烈和纯净的中微子束，以便可以在位于各大洲或地球另一侧的探测器中观察到它们的振荡。对一种称为无中微子双β衰变的罕见放射性过程的研究将提供关于中微子质量和 CP 破坏的更多信息。
这些实验可能需要十多年才能成为现实。十年似乎很遥远，但过去的 30 年，以及 SNO 等实验的传奇经历表明，中微子物理学家是耐心和非常执着的——要揭开这些难以捉摸的粒子的秘密，就必须如此。这些秘密与我们对粒子物理学、天体物理学和宇宙学的下一层次理解密切相关，因此我们必须坚持下去。
作者
ARTHUR B. MCDONALD、JOSHUA R. KLEIN 和 DAVID L. WARK 是由 130 人组成的萨德伯里中微子天文台 (SNO) 合作组织的成员。麦克唐纳是新斯科舍省悉尼人，自 1989 年 SNO 研究所成立以来一直担任所长。他还是安大略省金斯顿皇后大学的物理学教授。克莱因于 1994 年在普林斯顿大学获得博士学位，并在宾夕法尼亚大学开始从事 SNO 的工作。他现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学助理教授。沃克在过去 13 年中在英国牛津大学、苏塞克斯大学和卢瑟福·阿普尔顿实验室工作，试图向板球迷解释内场高飞球规则。除了 SNO 之外，他还参与了许多中微子实验。