氢退线(太阳内部氢聚变产生的电子中微子在运动过程中会转化成其它中微子)

Posted 2023-05-30

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氢退线(太阳内部氢聚变产生的电子中微子在运动过程中会转化成其它中微子)

作者：黄媂

“中微子”是一种不带电的、质量极小的亚原子粒子，这种粒子几乎不和正常物质发生相互作用。

太阳内部氢的核聚变释放能量的5%被中微子携带向外传输

“太阳中微子失踪案”曾经是天体物理学一个非常重大的科学问题，在太阳内部当氢的原子核聚变成为氦原子核的时候会释放能量，但是也有一部分的能量转化为了“中微子”，并且向外面进行传输。所以在观测太阳的时候接受到的不仅仅有“光子”同时还有“中微子”，并且光子和中微子这两种粒子它们的年龄是不一样的，简单来说就是光子产生于10^5~10^7年前的太阳内部，而中微子几乎是在当时产生的。

“光子”·很久以前恒星核反应产生的

当核心区域的光子向外面运动的时候，由于不断地和恒星内部的物质发生吸收和散射，这样的过程使得它的运动轨迹并非是直线的，而是无规则地向任意方向运动，因此在恒星核心区产生的光子运动到恒星表面的时候，所需要的时间可以长到几十万年甚至上千万年，所以观察到的太阳光子并不是当时产生的，实际上是在很久以前核反应的过程中所产生的。

“中微子”·恒星内部刚刚形成的粒子

“中微子”是一个弱相互作用的粒子，所以当它产生之后，它就按照直线运动到达恒星表面，如果被我们接受到了，而这个时候从产生中微子到到达地球的时间只需要8分钟，换句话说，我们接触到的中微子是在恒星内部刚刚形成的。

图解：左为：“光子”在核心区域假想的运动历程，右为：“中微子”运动的轨迹。

“中微子”是研究恒星内部发生物理过程的探针

根据恒星内部不同核反应所产生的中微子种类和能量的不一样，可以把“中微子”分成不同的类别，由于中微子的能量不一样所以探测它们的方法也不一样的，有些采用“氯”作为探测媒介，还有些采用“重水”作为探测媒介，基本的物理原理是中微子尽管是弱相互作用的粒子，但是和中微子参与发生反应的物质的量足够多，这样的反应还是有可能被探测到的。

重水——Deuterium oxide，是由氘和氧组成的化合物。分子式D2O，相对分子质量20.0275，比水(H2O)的分子量18.0153高出约11%，因此叫做重水。

图解：不同类别的中微子能谱

譬如采用“氯”作为探测媒介去研究能量相对较低的中微子，在上个世纪美国的“霍姆斯特克金矿”，就利用这个办法去搜寻中微子，在这个废弃的金矿里面注入了大量的「四氯乙烯 C2Cl4」，四氯乙烯和中微子发生相互作用会形成氩原子核，氩原子核和和一个电子发生相互作用又会变成氯原子核，当氯原子核退激发之后就会释放一个光子，通过探测光子就可以反过来估计有多少中微子参与了反应。

在宇宙空间里面有大量的高能粒子，也就是所谓的「宇宙线」，而这些高能粒子也可能会和四氯乙烯发生反应，所以为了屏蔽宇宙线带来的影响往往把探测器深埋在地上，这是为什么要利用废弃的“霍姆斯特克金矿”作为探测中微子的场所。

图解：“霍姆斯特克金矿”

除了采用“氯”作为探测媒介的方法之外，还有采用“重水”作为探测媒介的方法

日本的“超级神冈中微子天文台”和加拿大的“萨德伯里中微子天文台”，这两座天文台它们测量的不是通常可见的光子，而是来自于太阳中微子的辐射，通过对太阳中微子辐射的测量发现了一个奇怪的现象，而这个现象就是根据太阳内部结构发生核反应的过程可以预计在单位时间里面可以产生多少的中微子以及有多少中微子能够被地球上的探测器所接收到，但是测量到的太阳中微子的数量总是比太阳中微子标准模型理论的预计值要低，这就意味着有一部分的中微子不见了，这就是所谓的“太阳中微子失踪案”。

图解：测量值——蓝色的线条，理论预计值——黄色的线条。

关于“太阳中微子失踪案”的理论解释

对于“中微子失踪案”这个问题的解释有两条途径：

1.太阳标准理论模型并没有真实地反映太阳有内部结构。

2.中微子会发生振荡，中微子在传播到地球途中发生了转换，这是一个物理原因，因为中微子是由三种子类构成的，它们分别是e 「电子」中微子、 μ 「缪子」中微子和 τ 「陶子」中微子。在探测中微子的过程里面大部分探测器测量的是e中微子，如果电子中微子在它们从太阳到地球的运动路径里面，它们变成了其他类型的中微子那么就探测不到它们了，这就是“中微子振荡现象”。

为了验证“中微子振荡现象”科学家做了大量的实验

1998年，日本的“超级神冈探测器”测量了大气中的中微子变化，中微子的数量变化就反映了中微子的“振荡现象”。

2001年，加拿大的“萨德伯里中微子探测器”测量到了3种中微子，其中35%是e 「电子」中微子，所以直接证明了中微子确实发生了振荡，e 「电子」中微子并没有失踪，只是在离开太阳后转化成μ 「缪子」中微子和τ 「陶子」中微子，因此“太阳中微子失踪案”并不代表中微子失踪了，而是中微子相互转变造成的，同时也证明了中微子是具有质量的。

由于在中微子探测上的贡献，美国的“Raymond Davis”和日本的“Masatoshi Koshiba”在2002年获得了诺贝尔物理学奖。

不同质量恒星能量释放、物质密度、压强是不一样的

黑体辐射遵循的是「斯忒藩·玻耳兹曼定律」

「赫罗图」反映了恒星结构和演化几个关键的问题

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