概述
又稱中微子消失之謎太陽中微子問題是測量到的太陽中微子流量與理論計算相比出現缺失的問題。20世紀60年代晚期，美國南達科他州礦井中的Homestake實驗首次測量了太陽產生的中微子的流量，發現大約只有根據標準太陽模型計算出來的三分之一。1980年代，日本的神岡探測器也發現了類似的現象。
針對太陽中微子的缺失問題，人們首先想到的是修改標準太陽模型。如果測量到的中微子流量是準確的，那么要求 太陽核心的溫度比標準太陽模型中的溫度低，而日震觀測發現實際溫度與標準太陽模型符合得很好。此外，無論怎樣調整太陽標準模型都無法符合觀測得到的中微子能譜，對模型進行任何調整都會令矛盾增多。
中微子振盪之三種中微子-模型圖 另一種解釋是中微子振盪，即中微子在傳播到地球途中發生了轉換。中微子有三種，分別是電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。粒子物理學的標準模型預言，中微子是沒有靜止質量的粒子。如果三種中微子之間可以相互轉換，那么意味著中微子是有質量的，這將對粒子物理學的許多基本觀念提出挑戰。
1998年，日本的超級神岡探測器首次發現了中微子振盪的確切證據，表明μ子中微子轉換成了τ子中微子。2001年，加拿大的 薩德伯里中微子天文台發表了測量結果[1]，探測到了太陽發出的全部三種中微子，其中35%是電子中微子。三種中微子的總流量與標準太陽模型的預言符合得很好，解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。Homestake實驗的領導者雷蒙德·戴維斯和神岡探測器的領導者小柴昌俊獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。
簡介
雷蒙德·戴維斯(RaymondDavisJr.,1914-)和小柴昌俊(MasatoshiKoshiba,1926-)因在宇宙中微子探測方面所作的貢獻，里卡爾多·賈科尼(RiccardoGiacconi,1931-)因發現宇宙X射線源，共同分享了2002年度諾貝爾物理學獎。早在1930年，著名理論物理學家泡利(W.Pauli)就預言了中微子的存在。由於中微子幾乎不與任何物質發生作用，因此，儘管每秒有上萬億個中微子穿過我們的身體，但是我們很難發現它的蹤影。25年之後，考恩(C.L.Cowan)和萊因斯(F.Reines)領導的小組第一次通過實驗直接證實了中微子的存在。戴維斯和小柴昌俊的工作是進一步證實了太陽中微子的存在。元素核合成理論預言，太陽的能量來自於核聚變反應。在核聚變反應過程中，會放出大量中微子。戴維斯通過n+37Cl®37Ar+e-反應來探測中微子的，他的實驗裝置是一個埋在胡姆斯塔克(Homestake)1500米深礦井中的裝有615噸C2Cl4液體的大容器。當中微子與液體中的37Cl碰撞而放出電子時就轉變為37Ar，只要探測到37Ar的存在，就能證實中微子的存在。戴維斯持續了30年時間，才探測到約2000箇中微子。觀測到太陽中微子就直接證明了太陽內部確實進行著核聚變反應。但是，實驗測得的太陽中微子流的強度僅為標準太陽模型預期值的一小半，這就是30多年來人們一直在談論的“太陽中微子失蹤之謎”。小柴昌俊在日本神岡建造了另一台大型中微子探測器，是一個裝有2140噸水的大容器，在水箱的周圍裝有上千個光電倍增管。中微子有可能與水中的電子或質子相互作用，產生一個高能電子，這個電子可引起微弱的閃光，探測這種微弱的閃光就可證實中微子的存在。小柴昌俊的探測器探測到了來自太陽的中微子，並證實了戴維斯的實驗結果。另外，小柴昌俊的探測器還探測到了1987年2月23日在大麥哲倫星雲中爆發的那顆超新星所釋放出的中微子。這是人類第一次觀測到太陽以外的宇宙中微子。包括太陽在內的所有恆星都在不斷地發射各種波長的電磁波，不僅有可見光而且還有我們肉眼看不見的X射線、g射線等。由於X射線很容易被地球的大氣層吸收，所以要探測來自宇宙空間的X射線，就必須把探測器放入太空中。賈科尼領導研製了世界上第一個宇宙X射線探測器“愛因斯坦X射線天文望遠鏡”並首次獲得了精確的宇宙X射線圖像，第一個探測到了太陽系以外的X射線源，第一個證實了宇宙中存在X射線輻射背景，第一個探測到了可能來自黑洞的X射線。另外，他還倡導研製了“錢德拉X射線望遠鏡”並於1999年送入太空，這對探測星系、類星體和恆星以及尋找黑洞、暗物質的蹤跡有著非常重要的意義。戴維斯和小柴昌俊在“探測宇宙中微子”方面取得的成就導致了中微子天文學的誕生；賈科尼在“發現宇宙X射線源”方面取得的成就同樣導致了X射線天文學的誕生。貢獻價值2002年諾貝爾物理學獎表彰的另一項成果與X射線有關。包括太陽在內的所有恆星都發射電磁波，其中包括可見光和人們看不見的其他電磁波，比如X射線。其實，每時每刻都會有大量的宇宙射線到達地球，但包括X射線在內的多數宇宙射線都被大氣層吸收了，因而在地面上很難發現它們的蹤影。為了揭開宇宙X射線之謎，必須向太空發射探測器。賈科尼領導研製了世界第一個宇宙X射線探測器——愛因斯坦X射線天文望遠鏡。這一探測器於1978年進入太空，它首次提供了精確的宇宙X射線圖像，在此基礎上科學家獲得了大量新發現。此外，賈科尼在世界上第一次發現了太陽系外的X射線源，第一次證實宇宙存在著X射線背景輻射，他還探測到了可能來自黑洞的X射線。1976年，賈科尼倡議研製更為強大的錢德拉X射線望遠鏡。這一探測器直到1999年才進入地球軌道。耗資15億美元的錢德拉X射線望遠鏡計畫在太空至少運行5年，對星系、類星體和恆星進行探測，尋找黑洞和黑暗物質的蹤跡。天文學家希望藉助錢德拉X射線望遠鏡，能夠加深對暗物質和黑洞的認識。
獲獎的兩項成果均涉及對宇宙未來的研究。中微子有沒有質量，暗物質到底有多少，這關係到宇宙總質量的大小。科學家認為，如果宇宙總質量大於某個數值，宇宙將在自身引力作用下停止膨脹，並開始“大坍塌”；如果小於或等於某個數值，則宇宙將一直膨脹下去。由這兩項成果開拓的科研新領域必將揭示更多的宇宙奧秘，這些新答案將直接補充甚至改寫現有的基本理論。
中微子消失之謎的產生
科學家從20世紀70年代就開始測量抵達地球的中微子，然而有關結果僅為根據太陽活動理論算出的幾分之一，看上去好像有大量來自太陽的中微子“失蹤”了。這就是所謂的“太陽中微子失蹤之謎”，它意味著太陽活動理論或當時的中微子理論至少有一個存在問題。在當時的中微子理論中，中微子是一種沒有質量的粒子。當時，人們已經發現了三種中微子，分別是電子中微子，μ子中微子和τ子中微子。中微子只參與弱相互作用，其中電子中微子只參與有電子參與的弱相互作用，μ子中微子只參與有μ子參與的弱相互作用，τ子中微子只參與有τ子參與的弱相互作用。由於弱相互作用非常弱，中微子與物質的反應截面極小，探測起來非常困難。同時，由於反應截面小，而中微子又沒有質量，沒有任何一種機制能讓中微子從太陽到地球這樣的空間的傳播過程中消失掉。
人類第一次探測到中微子，是1956年美國物理學家萊尼斯和科恩小組，利用薩瓦納河工廠的反應堆,進行的一次實驗。實驗反應堆產生強大的中子流並伴有大量的β衰變，放射出電子和反中微子，反中微子轟擊水中的質子，產生中子和正電子，當中子和正電子進入到探測器中的靶液時，中子被吸收,正電子與負電子湮滅，產生高能γ射線,從而來判定反應的產生。雖然反中微子通量高達每秒每平方厘米5×10的13次方個，但當時的探測記數每小時還不到3個。在這個實驗中，中微子的探測部分主要以反中微子襲擊質子，產生中子和正電子的方式被探測到。能夠探測到的，實際上只有電子反中微子。
隨後觀測太陽中微子的方法，也都是只能觀測電子中微子的方法。但是由於太陽產生的也就是電子中微子。因此太陽中微子消失之謎困擾了人們幾十年。
中微子消失之謎的解除
2002年在日本神岡開展反應堆中微子探測的日、美、中科學家12月6日分別在各自國家、在相約定的時間同時宣布發現了核反應堆中微子產生的電子反中微子消失的現象，從而揭示了“太陽中微子丟失”的秘密，把人類對宇宙的探索向前推進了一步。通過這一實驗，人們發現不僅太陽中微子會“消失”，反應堆中產生的中微子也會在傳播途中“消失”。其實，通過修改原有理論，人們已經發現，只要中微子質量不為零，那么三種中微子就可能存在混合。一種中微子在傳播途中會有一種中微子轉變成另一種中微子。對於只能探測電子中微子的實驗裝置來說，中微子確實好像消失了一樣。
回到2001年，薩德伯里中微子觀測站的科學家宣布，找到了“太陽中微子失蹤之謎”的原因，引起科學界的轟動，被美國《科學》雜誌評為2001年10大科技成就之一。不過，那時的發現只是把所觀測到的數據與其他觀測站以前的數據相比後得出的結論。其後，科學家對他們的觀測數據深入分析，找到了直接觀測中微子的方法：當中微子進入裝有重水的容器後，碰到重水的原子核後會被彈開；彈開的原子核碰到另一個重水的原子核後會與之發生反應，變成氚的原子核，同時釋放出一些γ射線。所有的中微子都會引起這樣的反應，通過測量γ射線的數量，科學家就可知道有多少中微子存在。
這種方法是一種測量所有中微子直接和明顯的方法，也是科學家首次掌握如何同時測量所有中微子的方法。據此，直接證實了太陽中微子並未失蹤。 太陽中微子消失之謎最終定案。
太陽中微子理論的正確性
諾貝爾物理學獎可以說是最戲弄人的。最著名的當數愛因斯坦的相對論，它動搖了牛頓物理學的理論基礎，但愛因斯坦在有生之年未能給出有效證明，導致他沒能因為相對論而獲諾貝爾物理學獎。巴赫恰勒的太陽中微子理論卻與相對論不同。巴赫恰勒曾與美國布魯克黑文國家實驗室小雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis）合作，證明了太陽中微子理論的正確性，而且日本東京大學的小芝（Massatoshi Koshiba）後來通過試驗，也證實了這一理論。2002年，戴維斯、小芝以及另一位科學家裡卡多?賈尼科（Ricardo Giacconi）因為太陽中微子相關研究，分享了該年度諾貝爾物理學獎，唯獨巴赫恰勒榜上無名。儘管如此，他並沒有退出人們的視線，反而在天體物理學領域取得了巨大成就，並為世人認可。根據美國航空航天局戈達德太空飛行中心（NASA Goddard Space Flight Center）公開的簡歷中記載，巴赫恰勒也是哈勃望遠鏡的創立人之一。
