太阳中微子“猎手”：雷蒙德·戴维斯

王江山

中微子是一种能够穿越空间和固体物质的亚原子粒子，它难以捉摸，与其他物质的相互作用十分微弱，具有神奇的穿透特性，被称为“宇宙中最难以捉摸的猎物”。但有一位科学家靠着精巧的实验设计和超凡的耐心“抓住”了神出鬼没的中微子，他第一个探测到了太阳中微子的存在;他为太阳内部的核聚变理论提供了最为直接和坚实的支持;他和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”方面取得的成就导致了中微子天文学的诞生……他就是2002年诺贝尔物理学奖获得者，美国科学家雷蒙德·戴维斯。

开启“寻猎”之旅

1914年10月14日

雷蒙德·戴维斯出生亍华盛顿，他的父亲是美国匡家标准局（National Bu reaLof Standards）的一名摄景师。从小他就对科学感共趣，父亲也鼓励他进行化学实验，甚至把家中的地下室送给他作实验室。

1938年

戴维斯在马里兰大学获得化学学士学位，之后又获得该校硕士学位;1942年，获得耶鲁大学物理化学博士学位。

1948年春天

戴维斯加入了致力于和平利用核能的布鲁克海文国家实验室。在那里，他被要求“寻找一些有趣的东西来研究”，于是他将目光投向了中微子研究。中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，但在当时没有人能证明它是不是单独存在。在早期的实验中，他试图用布鲁诺·庞蒂科夫（BrunoPontecorvo）建议的氯氩探测方法探测来自反应堆的中微子。第一次尝试没有检测到任何信号，因为这个反应堆的中微子流量太小，而且反应堆发射出了反中微子，庞蒂科夫的方法却只能探测中微子，而当时的人们还不知道这两种粒子是不同的。

1954年

為了更好地探测中微子，戴维斯在布鲁克海文的反应堆和萨凡纳河（Savannah River）的一个反应堆部署了含有氯原子的探测器。他不仅完善了实验方案，还开发了开采、气体处理和计数所需的硬件。

1958年

1958年，霍尔格伦和约翰斯顿提出，质子一质子链中的一个末端反应将产生高能中微子。这可以用氯一氩放射化学方法测量。受这些理论的启发，20世纪60年代，戴维斯在南达科他州霍姆斯特克矿井里放置了一个装有富氯液体的储存罐。探测器本身由一个约40万升的装有四氯乙烯（一种常用于干洗衣物的溶剂）的水箱组成，该实验在位于地下近1600米处进行。在极少数情况下，中微子能与氯原子相互作用形成氩原子。通过计算这些氩原子，就可以探测到来自太空的中微子。

1968年

在改进计数方法和实验条件后，戴维斯和团队终于成功地测量了太阳产生的中微子的流量，但奇怪的事情发生了：他测量到的中微子数量仅有根据标准太阳模型计算出来的1/3。这就是所谓“太阳中微子问题”的起源。太阳中微子问题一直困扰着物理学家和天体物理学家，当时戴维斯认为标准太阳模型有问题，而许多物理学家认为他的实验有问题。1976年，戴维斯和约翰·巴卡尔发表了论文《太阳中微子：一个科学难题》，解释了太阳中微子问题的性质，他们认为“这种差异导致了恒星演化理论的危机。”

“捕获”隐形猎物

1984年

戴维斯退休了，但他并不准备就此放弃对太阳中微子的探测，直到20世纪90年代末，他还一直进行着测量太阳中微子流量的实验。但戴维斯多年的测量都产生了一致的答案，实验程序也非常严谨，那太阳中微子到底为什么缺失呢？为了解决这一困惑，科学家们提出，太阳释放的电子中微子可能在传播到地球的过程中发生了转换，变成了其他类型的中微子，因为自然界还存在另外两种中微子：“u中微子”和“T中微子”，而他们当时的方法只能探测到电子中微子，这就是“中微子振荡”的观点。如果这三种中微子之间可以相互转换，就意味着中微子的静止质量并不为零，这将对粒子物理学的许多基本观念提出挑战。

1998年

日本的超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据，表明u中微子转换成了一r中微子。2001年，加拿大的萨德伯里中微子天文台发表了测量结果，探测到了太阳发出的全部三种中微子，其中35%是电子中微子。三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言相符，彻底解决了先前观测到的太阳中微子缺失的问题。

2002年

戴维斯、日本物理学家小柴昌俊和意大利物理学家里卡尔多·贾科尼分享了诺贝尔物理学奖，以表彰他们对天体物理学的开创性研究。戴维斯和其他科学家的研究让人们得以检测濒临灭亡的恒星，并进一步了解宇宙。