标准太阳模型 vs 粒子物理标准模型

这些由太阳中微子引起的问题被称为太阳中微子问题，有时也被称为太阳中微子之谜或太阳中微子消失之谜。然而，严格地说，这个姓需要被证明，这就像在现实世界中把一个案件描述为一个失踪案件，这需要被调查。在这一部分，我们将从这些调查开始。我们想调查的第一种可能性是观察问题的可能性。这项研究之所以必要，是因为中微子是相互作用极其微弱的粒子，在观测中很容易“漏网”。如果这种“泄漏”达到一定程度，太阳中微子问题就有可能凭空出现，就像早期的核物理实验没有检测到中微子一样，能量守恒的伪问题也就凭空出现了。那么，有没有可能太阳中微子问题也是一个类似的伪问题？答案是否定的。原因有两个:第一，太阳中微子问题是几组独立实验的共同结果，这比单个实验要可靠得多。第二，GALLEX和SAGE都使用已知通量的人工中微子源来校准探测器，从而进一步确保了它们的可靠性。因此，我们有充分的理由相信太阳中微子问题不是由观测误差引起的伪问题。因为这不是一个假问题，它是一个真实的问题。因为这不是一个观察问题，而是一个理论问题。所以接下来要调查的是理论的哪一部分出错了。我们知道太阳中微子流的理论预测来自所谓的太阳模型，这是一个在学术界有广泛共识的模型，也称为标准太阳模型。该模型受太阳大小、亮度和表面温度等可观测数据的约束，并对主要因素及其相互关系进行定量描述，如太阳中物质状态的分布、压力平衡、能量的产生和传输、辐射的吸收和发射等。它决定了太阳核心产生中微子的机制和数量。然而，标准的太阳模型并不是全部，因为太阳中微子在产生后必须经历一个传播过程:它们必须穿过数十万公里的太阳物质和近1.5亿公里的太阳和地球之间，才能进入我们的探测器。然而，描述这种传播链接的是一个与粒子物理相关的模型，这也是一个在学术界有着广泛共识的模型，被称为粒子物理的标准模型(STANDARDMODOLOP ARTICLE PHYSICS)。这个模型相当准确地描述了所有已知的基本粒子及其相互作用。因此，与太阳中微子问题有关的理论实际上有两个部分，它们有一个共同的名字叫做“标准模型”。所谓的“理论的哪一部分出错了”归根结底是两个标准模型之间的争论，即标准太阳模型和粒子物理标准模型。两个标准型号中哪一个更可靠？我认为大多数物理学家会把赌注压在粒子物理的标准模型上，如果他们在答案已知之前就下注的话。自该模型于20世纪60年代末建立以来，已经进行了许多试验，包括确认预测的新粒子及其参数，这可以称为经典试验。尽管粒子物理的标准模型描述了肉眼看不到的微观世界，但对于物理学家来说，实验室里无数粒子的反应图片不断地告诉他们现实。相比之下，标准的太阳模型很少接受测试，其中备受期待的太阳中微子实验产生了令人尴尬的结果。此外，与标准粒子物理模型描述的相对纯净的微观世界不同，标准太阳模型指的是巨大天体的内部世界。只要我们脚下的地球仍然如此复杂，我们对标准太阳模型的信心就很难被低估。因此，直到20世纪90年代，美国物理学家霍华德·乔治(HowardGeorgi，1947 -)曾因其对大统一理论的研究而闻名，他在一篇论文中声称太阳中微子问题与粒子物理无关，并温和地说天体物理学家已经因能够计算出太阳中微子的数量相差只有两到三倍而闻名。言下之意是，实验和理论之间的这种差异并不奇怪。标准的太阳模型可以承担全部责任，而不考虑粒子物理。另一位著名的美国物理学家德雷尔(1926-)也说，粒子物理的标准模型已经变得如此辉煌，以至于很难放弃。既然“公众意见”是这样的，让我们首先考虑标准太阳能模型出现问题的可能性。我们在第8节提到，太阳核心的核聚变反应强度对太阳核心的温度极其敏感。由于太阳中微子来自核聚变反应，它们的通量当然也高度依赖于核聚变反应的强度，因此对太阳核心温度的依赖性非常敏感。因此，标准太阳模型出现问题的最大可能性是，它预测太阳的核心温度是错误的。如果太阳核心的实际温度低于标准太阳模型预测的温度，那么太阳核心中核聚变反应的强度和由此产生的太阳中微子通量将大大降低。计算表明，由于太阳核心温度与核聚变反应之间的敏感相关性，太阳核心温度降低几个百分点就足以使太阳中微子通量降低几十个百分点，从而与定性观测结果相一致。乍一看，这是一个很大的可能性，因为当描述一个像太阳核心一样远离经验的环境时，几个百分点的温度误差不仅是完全可能的，甚至是不可避免的。然而，如果你仔细想一想，原因很简单:将太阳的核心温度降低几个百分点可以在质量上调和中微子通量理论和观测之间的差距，但同时它也将导致太阳光度的显著降低——因为核聚变反应的强度大大降低，这与观测完全相反。然而，仅凭这一点无法打败物理学家，因为有一些方案可以降低太阳核心的温度，同时保持太阳亮度不变。其中最笨拙的方案是利用“太阳核心发出的光子需要几十万年才能到达太阳表面”的特性，这一点我们在前面的章节中已经提到过，以后还会进一步介绍。利用这一特性，有人提出了一个非常奇怪的假设，即不久前太阳的核心温度突然变低，由此产生的影响还没有到达太阳表面，从而影响了太阳的光度。这一假设的不恰当是显而易见的，因为它是为解决太阳中微子问题而特别炮制的，而且比太阳中微子问题更难理解。这种用比原始问题更难理解的假设来解决问题的方法几乎违背了科学的目标。甚至这样的“天方夜谭”也被提出，这表明人们多么希望把问题归咎于标准的太阳模型。然而，修改标准太阳能模型的计划并不都是坏的。相对聪明的计划是降低太阳核心的温度，同时扩大核反应区域的范围，以抵消核反应严重性降低所造成的影响，从而达到保持相同光度的目的。不幸的是，正如我们在前一节已经提到的，太阳中微子的总通量直接对应于太阳的光度。一旦太阳光度保持不变，太阳中微子的总通量也保持不变。因此，这一方案最多只能解释某些特定能量范围内的太阳中微子问题，如高能区(因为核心温度的降低会影响各种核聚变反应的相对比例，从而影响不同能量中微子的相对比例——特别是减少高能中微子的数量)。然而，随着实验结果所涵盖的能量范围变得越来越宽，太阳中微子问题不仅在特定的能量范围内，而且在总流率方面一直是一个问题，这超出了那些保持太阳光度不变的方案的解释范围[注2]。然而，我们稍后将介绍的所谓太阳地震学研究已经证明了标准太阳模型的许多细节，因此对修改标准太阳模型的努力设置了相当严格的限制。事实上，标准的太阳模型看起来像“五大三厚”，只使用几个方程来描述整个太阳的基本特征。然而，它对物理原理的运用相当细致，甚至达到了“一拉一发全身”的精度。例如，为了降低太阳的核心温度，必须同时调整太阳中重元素的比例等参数。这些参数中有许多可以用太阳地震学方法进行测试，测试结果几乎总是支持标准的太阳模型。除了太阳地震学研究，对标准太阳模型的支持也来自另一个领域。这个领域只不过是太阳中微子研究本身，这导致了对标准太阳模型的怀疑。正如我们所说的，标准太阳模型出现问题的最大可能性是它预测了太阳核心的错误温度。当然，这样说的第一个原因是，太阳核心温度和中微子流量有着极其敏感的相关性，因此具有解决太阳中微子问题的明显潜力，但另一方面，这也是因为我们不能直接测量太阳核心温度，因此不可能做出实验判断。实验无法到达的地方往往是理论遍地开花的地方。然而，细心的读者可能还记得，在最后一节，我们曾称赞中微子“取代光子成为我们窥视太阳核心奥秘的工具”。既然我们获得了如此高的荣誉，我们不得不问:它是否包括了让我们得以窥见的“太阳核心之谜”中的太阳核心温度？幸运的是，答案是肯定的，正如光谱可以告诉我们发光体的温度一样，太阳中微子的光谱也可以给我们提供关于太阳核心温度的信息。这个答案，加上像神岗探测器这样可以测量中微子能量的探测器的出现，使我们能够通过太阳中微子能谱来计算太阳的核心温度。计算结果与标准太阳模型比修改后的方案更加一致。自那以后，修改太阳模型的努力遭遇了挫折。虽然不能说从那时起就没有人注意到它，但希望已经变得非常渺茫。太阳中微子的问题确实可以被描述为一个失踪案例，因为由于标准的太阳模型没有问题，这意味着太阳中微子的通量确实比实验探测到的大，并且一些太阳中微子确实失踪了。现在我们只有一条路可走:修改粒子物理的标准模型。粒子物理的标准模型“辉煌到了难以放弃的地步”。此时，我们必须对此采取行动。但是在我们开始挖掘之前，我们需要彻底调查失踪人员中微子的家庭背景。根据我们目前的信息，中微子家族有三个兄弟，他们都擅长走私能量。我们前面提到的中微子只是第一个被捕获的。它的全名是电子中微子。除了电子中微子，在1962年和2000年还发现了另外两个中微子，分别被称为muonneutrino和tau中微子。这种三兄弟结构从修改粒子物理标准模型的角度为解决太阳中微子问题提供了一个重要的思路，这就是中微子振荡。什么是中微子振荡？简而言之，它是三个中微子兄弟之间的相互转化——例如，电子中微子变成μ子中微子，μ子中微子变成τ子中微子，等等。这种转变可以是循环的，因此被称为振荡。中微子振荡能够解决太阳中微子问题的原因是太阳核心产生所有的电子中微子，我们在前面介绍的中微子探测器也主要探测电子中微子。因此，如果来自太阳核心的一些电子中微子在到达地球的途中被转换成μ子中微子或τ中微子，它们将逃脱探测器的探测，并造成丢失中微子的假象。这就像一个网民用几件背心(化名)轮流发帖。IP地址显示他总共发布了100个帖子，但是如果你只搜索一个背心，你只能找到一些帖子。中微子振荡的概念由来已久。事实上，中微子振荡的概念早在中微子的兄弟被发现之前就提出了，也早在太阳中微子问题出现之前。这个人就是前面提到的意大利出生的核物理学家庞蒂克夫。1958年，庞蒂克夫提出了中微子和反中微子相互振荡的可能性[注释5]。在发现了μ子中微子之后，他在1967年的《泰晤士报》上修正了他的猜测，认为电子中微子和μ子中微子也可能振荡。从某种意义上说，他的推测可以说是预测了太阳中微子问题的出现，因为中微子振荡将不可避免地导致只对电子中微子敏感的中微子探测器无法探测到所有的中微子。当戴维斯的Homestake实验将太阳中微子问题引入讨论时，庞蒂克夫和俄罗斯物理学家格里波(1930-1997)首先重申了他的猜想。当然，通过修改粒子物理标准模型来解决太阳中微子问题不仅是中微子振荡，其他解决方案也是短命的，比如一个叫做中微子衰变的方案。它认为中微子消失不是因为他们穿着其他背心，而是因为他们中途死亡。在粒子物理学中，粒子的过早死亡有一个非常优雅的名字，叫做衰变。不幸的是，这种计划在1987年遭到谴责。那一年，包括神岗探测器在内的几组中微子探测器观测到了一批来自大麦哲伦星云超新星爆炸的反中微子，这颗著名的超新星是1987年的超新星。反中微子花了将近17万年才到达地球。由于粒子和反粒子具有相同的寿命，如果中微子在从太阳到地球的8分20秒内死亡，那么我们就不会从超新星1987A中观察到如此多的反中微子。因此，即使中微子会英年早逝，它们也不会这么快死去。由于中微子不能这么快死亡，这个方案本身也必须死亡。真正的希望是中微子振荡。那么，中微子振荡应该从哪里开始修改粒子物理的标准模型呢？从中微子的质量开始，加上[注释7]。在粒子物理的标准模型中，所有的中微子都是无质量的。理论上，可以证明如果所有的中微子都是无质量的，中微子振荡就不会发生[注释8]。因此，要产生中微子振荡，我们必须从增加中微子质量开始，并修改粒子物理的标准模型。我们接下来想知道的是:在中微子振荡中，中微子转换的概率满足什么样的定律？因为只有知道这一点，才能与观察相比。简单的理论分析表明，中微子相互转换的概率与许多因素有关，如中微子质量、能量、中微子之间的混合以及飞行距离([注释9)。这些关联不仅为拟合观测数据提供了许多可调参数，而且定性地解释了不同能量的中微子具有不同缺失率的现象。基于这两点，它已经比前面提到的更有希望。