雷蒙德·戴维斯

1967 年 8 月 11 日，雷蒙德·戴维斯从南达科他州给远在剑桥休假的核天体物理学家福勒写了一封信。他在地下将近一英里的地方建好了一罐 10 万加仑的四氯乙烯——就是干洗店用的那种溶剂——第一轮 48 天的数据刚数完：计数器里没有看到氩-37 的峰。信的末尾他写道：九月再取一次样，「我们准备好了，打开太阳吧」。

太阳当然一直开着。只是从那以后三十多年，他的罐子里数出来的太阳中微子始终只有理论预言的三分之一左右。一边是精心计算的太阳模型，一边是一个化学家平均一年只数得到几十个原子的实验，两边都找不出错。答案最后出在谁都没料到的地方：中微子本身。

化学家闯进了中微子

戴维斯 1914 年生于华盛顿，父亲是国家标准局的摄影师，没读完高中，却靠自学在局里做出不少发明，最后当上了摄影技术科科长。戴维斯说自己动手搭仪器的习惯就是从父亲那里来的；父亲给他带回化学药品，他在地下室里做实验。

他读的都是化学：马里兰大学本科、硕士，1942 年耶鲁大学物理化学博士。毕业当天就进了陆军，战时大半在犹他州的达格威试验场观察化学武器试验。退伍后他去了孟山都公司的芒德实验室，做原子能委员会需要的应用放射化学。

1948 年春，他加入刚成立的布鲁克海文国家实验室。他去问化学系主任多德森自己该做什么，得到的回答让他又惊又喜：去图书馆读点东西，自己挑一个感兴趣的课题。他在图书馆里读到克兰 1948 年的一篇中微子综述，里面有一句话：

不是每个人都愿意说自己相信中微子存在，但可以放心地说，我们几乎没有谁不曾借助中微子假说来思考 β 衰变。

一个几乎一无所知、又恰好适合物理化学背景的领域——他就此入了行。晚年他说，这开启了「做自己想做的事、还有人付钱」的一辈子。

庞蒂科夫的配方

1946 年，在加拿大查克河实验室工作的布鲁诺·庞蒂科夫写过一份很短的报告，提出用氯来抓中微子：

$$\nu_e + {}^{37}\mathrm{Cl} \to {}^{37}\mathrm{Ar} + e^-$$

妙处在于产物。氩是惰性气体，可以从大量含氯液体里整体吹出来；氩-37 有放射性，半衰期 35 天，能在小小的气体正比计数器里一个个数出来。报告写得相当具体——煮沸四氯化碳赶出氩、用充气计数器计数，和戴维斯后来的做法很像——但美国原子能委员会把它列为机密，理由是这种方法也许能用来测反应堆的功率。阿尔瓦雷茨 1949 年也提议过用一大罐浓盐水去测太阳中微子，但没有动手。既然没人做，戴维斯 1951 年就接了过来。

头一个实验把 3800 升四氯化碳放在布鲁克海文的石墨反应堆旁边，放了一两个月，什么也没测到。他又把一罐同样大小的四氯化碳埋到地下 5.8 米，给出太阳中微子通量的第一个上限：40,000 SNU，比他后来测到的真实值高一万五千倍。一位审稿人毫不客气：这就好比有人站在山顶伸手去够月亮，然后写论文宣布月亮离山顶超过八英尺。

萨凡纳河：中微子不是反中微子

反应堆里放出的其实是反中微子，而氯-氩反应只认中微子。可在 1950 年代，两者究竟是不是同一种粒子并不清楚——光子和中性 π 介子就都是自己的反粒子。

于是戴维斯把实验搬到了当时世界上最强的反中微子源：萨凡纳河的反应堆。3800 升没有信号，他又换成 11,400 升，把俘获率的上限压到「如果两者相同应有值」的二十分之一。就在同一处反应堆旁，雷恩斯与考恩正在做那个著名的实验，第一次抓到了自由反中微子。雷恩斯的实验证明泡利的中微子真实存在；戴维斯的实验则说明，中微子不是它自己的反粒子。

从石灰石矿到金矿

1950 年代的主流看法是：太阳靠质子-质子链的主干发光，而主干放出的中微子能量都低于 0.814 MeV 的阈值，氯探测器根本看不见。

1958 年，霍尔姆格伦与约翰斯顿测出氦-3 与氦-4 聚合成铍-7 的反应比原先以为的快一千倍，通往铍-7 的支路不能再忽略了（按今天的数字约占 15%，而不是原先以为的七千分之一）。铍-7 再俘获一个质子就变成硼-8，而硼-8 的衰变会放出能量约 7 MeV 的中微子：

$${}^{8}\mathrm{B} \to {}^{8}\mathrm{Be}^{*} + e^+ + \nu_e$$

福勒与卡梅伦立刻把消息告诉了戴维斯。最初的估计相当乐观，每天能抓到好几个；戴维斯便在俄亥俄州阿克伦附近的巴伯顿石灰石矿、地下约 700 米处放了一罐 3800 升的四氯乙烯试水。结果又是没有信号。接着坏消息接连传来：铍-7 更多是俘获电子变成锂-7，而不是俘获质子变成硼-8。雷恩斯 1960 年写道，哪怕用几千甚至几十万加仑的四氯乙烯，得到阴性结果的可能性也足以劝退实验家。

转机来自一位年轻的理论家约翰·巴赫卡尔。1963 年，他仔细算了硼-8 中微子被氯-37 俘获的截面，发现比先前以为的大二十倍。1964 年，两人在《物理评论快报》上背靠背发表了两篇短文：巴赫卡尔的《理论》与戴维斯的《实验》。理论告诉他要建多大的罐——10 万加仑的四氯乙烯里每天应能产生 4 到 11 个氩-37 原子；巴伯顿测到的宇宙线本底则告诉他要埋多深。

地下 1478 米

建造地点选在南达科他州利德的霍姆斯特克金矿，4850 英尺深（1478 米）的巷道里。1965–1966 年，矿工挖出一间大硐室，芝加哥桥梁钢铁公司把储罐拆成能塞进矿井罐笼的小块，运下去再焊起来，每一道焊缝都拍了 X 光片。罐长 14.6 米、直径 6.1 米，装了 615 吨四氯乙烯，里面约有 $2.2\times10^{30}$ 个氯-37 原子。

$$R = N_{\mathrm{Cl}} \sum_i \phi_i \sigma_i$$

这就是整个实验要测的量：氩原子的生成率等于氯-37 的原子数乘以各路太阳中微子的通量与俘获截面之积的和。

每隔两三个月取一次样。两台大泵以每分钟约 1500 升的流量让四氯乙烯穿过罐内的喷射器，同时往里鼓氦气，罐顶的氦气再以每分钟 17,000 升抽到控制室，冷凝器冻下溶剂，液氮冷却的活性炭阱截下氩。循环 20 小时，罐里约 95% 的氩就被带了出来。提纯后的氩装进内部容积只有 0.25 或 0.5 立方厘米的正比计数器；最初几年，计数器放在用原子弹问世之前铸造的战列舰炮管做成的屏蔽里——那样的钢里没有核试验沉降带来的放射性。

只有三分之一

1967 年 5 月，第一次正式照射开始；8 月给福勒的信里，他已经隐约感到不对。1968 年的论文题为《寻找来自太阳的中微子》——戴维斯后来调侃，标题里用「寻找」，大家都知道意思是什么也没找到。上限是 3 SNU，而巴赫卡尔等人在同期论文里预言的是 $7.5 \pm 3$ SNU。

要看清信号，只能压低本底。1970 年，布鲁克海文的电子工程师拉德卡与罗杰斯想出了一个巧妙的办法：氩-37 衰变放出的俄歇电子射程只有约 100 微米，电子几乎同时漂到阳极，脉冲上升得很快；γ 射线打出的康普顿电子则拖着长径迹横穿计数器，脉冲上升得慢。只看上升时间就能把两者分开。新电子学用了大约一年，第一个清楚的太阳中微子信号终于出现了——大小只有预言的三分之一左右。

之后便是漫长的对峙。很多物理学家认为实验出了毛病，于是戴维斯一遍遍检验自己：往小罐里加入氯-36 标记的四氯乙烯，看衰变产物氩-36 能否如数收回；往大罐的套管里插中子源，用已知反应生成氩-37；甚至让同事往大罐里注入 500 个氩-37 原子，事先不告诉他具体数目，结果全部如数收回。每一轮他都交替加入稳定的氩-36 或氩-38 作载体，用质谱核对回收率。

1998 年，他与克利夫兰等人发表了总结：启用上升时间计数后的二十五年里共运行 108 次，数到约 2200 个氩-37 原子，折合

$$2.56 \pm 0.16\ (\text{统计}) \pm 0.16\ (\text{系统})\ \mathrm{SNU}$$

而巴赫卡尔等人 2001 年的标准太阳模型预言是 $7.6^{+1.3}_{-1.1}$ SNU。615 吨液体里，平均每两天才生成一个氩原子。

三十年的对照

戴维斯早年的看法是太阳模型错了。巴赫卡尔则守着他的模型——后来日震学还证实了模型里的温度分布。两个人三十年里不断对照数字，谁也没找到对方的错。戴维斯在诺贝尔演讲里专门致谢巴赫卡尔：没有标准太阳模型这个参照点，就不会有「太阳中微子问题」；理论与实验的长期碰撞，让实验与理论都变得更好。

这期间冒出的解释五花八门，戴维斯晚年半开玩笑地列过一张单子：太阳中心产能正处在暂时的低谷（光要约一千万年才走到表面，中微子只需八分钟）、夸克催化、中微子会衰变、太阳内部快速自转、太阳中心有个黑洞……其中也有中微子振荡——庞蒂科夫 1957 年起就在设想，1969 年他与格里博夫把它用到了太阳中微子上，后来沃尔芬斯坦以及米赫耶夫与斯米尔诺夫又补上了物质中的共振转换效应。戴维斯提醒后人：振荡现在看来是对的，但在当时，多数物理学家觉得它漂亮，却不太可能。

答案在中微子身上

霍姆斯特克在很长一段时间里是世界上唯一的太阳中微子实验。直到 1980 年代末，小柴昌俊的神冈 II 用完全不同的办法——水中的切连科夫光——证实硼-8 中微子确实偏少；1990 年代，苏联-美国的 SAGE 与欧洲的 GALLEX 用镓测低能的 pp 中微子，也只测到预言的一半左右。1998 年超级神冈发现大气中微子振荡；2001 年，加拿大萨德伯里中微子观测站（SNO）用重水单独测出电子中微子，与超级神冈的数据一对照，显示中微子在不同「味」之间转换；2002 年，SNO 用对三种味都敏感的中性流反应测出了太阳中微子的总数——与标准太阳模型相符。

太阳没有错，戴维斯的实验也没有错。太阳核心产生的电子中微子在奔向地球的路上，约三分之二变成了 μ 中微子和 τ 中微子，而氯只能俘获电子中微子。中微子能振荡，就意味着它有质量——这是粒子物理标准模型之外的新物理。

迟到的诺奖

戴维斯 1984 年从布鲁克海文退休，但不肯停下：他认为霍姆斯特克应该与新一代太阳中微子实验同时测量。宾夕法尼亚大学的兰德为实验找了新家，戴维斯成了宾大的研究教授，罐子一直测到 1990 年代后期金矿停产。

2002 年 10 月，瑞典皇家科学院宣布：戴维斯与小柴昌俊分享当年物理学奖的一半，「以表彰他们对天体物理学的开创性贡献，特别是探测到宇宙中微子」，另一半授予 X 射线天文学的开拓者贾科尼。公布时他 87 岁，几天后满 88 岁。12 月 8 日的诺贝尔演讲由他在芝加哥大学研究陨石的儿子安德鲁准备并宣讲。

演讲的结尾这样写道：

当我们开始霍姆斯特克太阳中微子实验时，我们以为自己懂得太阳如何运转，测一测中微子通量就能证实理论。事情显然没有照计划发展。太阳中微子实验与标准太阳模型的这场碰撞以一种壮观的方式收场：实验没有错，理论也没有错；出了问题的是中微子。

罐子之外

在布鲁克海文，戴维斯不只做中微子。他和谢弗一起测陨石里的氯-36 与氩-36，算出陨石在太空中暴露了多久；靠一颗下落轨迹被拍下来的「迷失城」陨石里的放射性氩，推出了内太阳系宇宙线强度的梯度。登月年代，他测过月岩与宇航员带回的样品箱里的氩、氚和氡；处理阿波罗 12 号样品时休斯敦的一个手套箱漏了，他和宇航员以及几位倒霉的科学家一起被隔离了两个星期，直到确认没染上什么「月球病」。

刚到布鲁克海文时，他住在实验室租下的一家海滨旅馆，在那里认识了在生物系工作的安娜·托里。他不顾熟人的嘲笑，在她的帮助下亲手造了一条 21 英尺长的单桅帆船「翠鸟号」，全家驾着它玩了很多年。两人育有五个孩子，在长岛蓝点的同一所房子里住了五十多年。2006 年 5 月 31 日，戴维斯因阿尔茨海默病并发症在家中去世，享年 91 岁。