“没有任何帮助”的中微子引申出了超新星爆发的机理
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日本物理学家小柴昌俊于2020年11月12日去世,享年94岁。他是中微子天文学的开创者之一,因为“对天体物理学,特别是宇宙中微子探测方面的开拓性贡献”获得2002年诺贝尔物理学奖。
在诺奖颁奖会上,当小柴昌俊被记者问到“此次诺贝尔奖的成就对世间有什么帮助”时,他回答道:“没有任何帮助。”
中微子能有什么用呢?它几乎不与任何东西作用,每秒有成亿上兆个中微子穿过我们的身体,我们却浑然不知。很难想象这样的东西能对包括通信在内的任何领域有任何帮助。提问的记者一时间也哑然无语,但小柴昌俊的应答后来被媒体称赞为最有价值的回答。
科学从一开始就以对世界有用为目标进行研究固然重要,但即使对世界没有任何帮助,只是单纯作为对学术真理的探究或无论如何都想弄清楚的问题所作出的努力,对于提升人类的智慧更是不可替代的。小柴昌俊认为纯粹的研究就是这样的。
小柴昌俊信奉“契机”。他有一句名言:对于自己想做的事,随时怀揣3,4个蛋,当机会降临之时,自然就孵化出来了。
日本神冈探测器捕捉到超新星爆发产生的中微子,正是一种偶然的契机。
神冈探测器最初名为"神冈核子衰变实验"(KamiokaNDE),于1982年开始建造,1983年完工。它的圆柱形容器高16米,直径15.6米,装有3000吨水和大约1000只光电倍增管。目的就是探测粒子物理学中的一个基本问题——质子衰变。后来,美国IMB突然计划以更多的预算金额与更多的储水量,且周围设置的光电倍增管与神冈具有对光同等的感度,准备进行与神冈同样的实验。美国的竞争引起小柴昌俊关注,他觉得神冈如果仅进行质子衰变的观测必定会输给美国。必定会输的实验就是在浪费国民纳的血税。由于小柴昌俊坚持己见,神冈项目决定在不增加“球”的数量的前提下大幅提升每个球对光的感度,试图对太阳发出的中微子进行观测。
他们抓住了契机。1987年2月,灵敏度大大提高了的神冈探测器在改造后正式运转的第二个月,就发生了谁也没有料到的大麦哲伦星云的超新星爆发。从SN1987A观测到中微子,神冈观测到的中微子数量(11个)击败了IMB(8个)。
20世纪90年代,神冈观测台耗资一亿美元建造了更大的探测器——超级神冈探测器(Super-KamiokaNDE),其中用于探测的高度纯净水增加到了 50000 吨。1996年开始观测,其后自1998年起开始发布探测结果,给出了中微子振荡的首个确切证据。他们认为中微子在三种不同"味"之间是可以相互转换的。这表明中微子有质量,并非是粒子物理标准模型所预言的零质量粒子。这一探测结果在中微子天文学和粒子物理学中具有里程碑式的意义,小柴昌俊也因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。
神冈探测器内部的“球”
在神冈内部作业的小柴昌俊
虽然小柴昌俊回答记者提问说中微子没有用处,但通过对超新星爆发形成中子星机理的研究,使得中微子成为除电磁波以外研究天体物理的重要手段之一。
目前最有力的超新星爆炸机制就是“中微子加热说”。按照这一假说的理论,“中微子加热”的过程是(参考下图):
引力坍缩型超新星爆发的机理
( a ). 在恒星中以氢为燃料发生核聚变反应。制造出的氦会发生进一步核聚变反应,产生碳和氧等重元素,但一旦形成稳定的铁元素,核聚变反应就无法再进行下去了。
( b ). 由于铁核的中心部温度(50亿度以上)与密度非常高,铁无法耐热,开始分解(56Fe + γ → 134He + 4n - 124.4MeV)。来自铁原子核的质子将俘获电子,产生中子和中微子(e- + p → ve+n)。其结果是支撑星体的压力下降,星体将无法承受自身的重量,发生引力坍缩。
( c ). 随着引力坍缩的进行,中微子被封闭在星体的中心,形成了只能一点点逃离的区域(中微子球)。
( d ). 更进一步,形成又重又硬的原中子星( PNS )。当周围被吸积而来的铁撞击这个原始中子星时,就会产生冲击波。
( e ). 冲击波想要向外侧前进。
( f ). 但中途能量被夺走,无法达到爆炸条件。
( g ). 不过,失去势头的冲击波被中微子球一点一点释放出的中微子与中子反应时产生的热量再次加热复活。
( h ). 复活的冲击波到达星星的外缘部后,星体就会爆炸,并在地面上可以观测到超新星。