[论文解读] How Many Solar Neutrino Experiments Are Wrong?

John N. Bahcall|Jul 15, 1994

Neutrino Physics Research被引用 33

一句话总结

本文认为，若标准电弱理论成立且太阳中微子实验数据准确，则由于观测到的 7Be 中微子通量远低于标准太阳模型的预测值，现有四个太阳中微子实验中至少有三个必须是错误的。该分析结合了氯化物与神冈实验的数据以及镓（GALLEX/SAGE）的结果，表明 7Be + CNO 中微子捕获的 95% 置信上限仅为 0.46 SNU，远低于预测的 1.1 SNU，除非多个实验存在缺陷或发生中微子振荡，否则存在根本性矛盾。

ABSTRACT

Ten recently-published solar models give $\7be$ neutrino fluxes that lie within a range of $\pm 10$\% of the average value, a convergence that is independent of uncertainties in the measured laboratory rate of the $\7be(p,γ)\8b$ reaction. If nothing happens to solar neutrinos after they are created ({\it a la} standard electroweak theory) and the operating solar neutrino experiments are correct, then the $\7be$ solar neutrino flux must be less than 50\% of the solar model value. At least three of the four existing solar neutrino experiments must be wrong {\it if}: (1) standard electroweak theory is correct, and (2) the true $\7be$ neutrino flux lies within the range predicted by standard solar models.

研究动机与目标

• 评估观测到的太阳中微子反应率与标准太阳模型对 7Be 中微子预测值之间的一致性。
• 在无中微子产生后发生转化的前提下，确定有多少个太阳中微子实验必须是错误的。
• 使用保守的统计方法，综合氯化物、神冈、GALLEX 和 SAGE 实验的约束条件。
• 确立 7Be 中微子通量的缺失是一个稳健且严重的问题，且独立于 8B 中微子反应率的不确定性。
• 主张 7Be 中微子通量的差异与 8B 中微子通量的差异一样严重，从而质疑多个实验的有效性。

提出的方法

• 使用四个太阳中微子实验的已发表结果：氯化物实验、神冈实验、GALLEX 和 SAGE 实验。
• 应用粒子数据组（Particle Data Group）的保守统计程序，计算中微子捕获率的 95% 置信上限。
• 在不考虑中微子振荡的前提下，比较氯化物实验与神冈实验的观测捕获率，推断非 8B 中微子（pep、7Be、CNO）的通量。
• 从总氯化物实验反应率中减去神冈数据预测的 8B 中微子贡献，以分离出 7Be + CNO 通量。
• 以十个标准太阳模型所稳健预测的 7Be 中微子通量（1.1 ± 0.1 SNU）作为比较基准。
• 使用平坦先验的贝叶斯统计方法，推导 7Be 与 CNO 中微子捕获率总和的保守上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 若标准电弱理论成立且 7Be 中微子的太阳模型预测准确，则有多少个太阳中微子实验必须是错误的？
• RQ2 在观测数据和保守统计方法下，氯化物实验中 7Be 与 CNO 中微子捕获率总和的 95% 置信上限是多少？
• RQ3 在太阳中微子实验的背景下，为何 7Be 中微子通量的差异与 8B 中微子通量的差异一样严重？
• RQ4 观测到的 7Be 中微子缺失能否仅由实验误差解释，还是需要新物理？
• RQ5 当结合神冈数据时，镓实验（GALLEX 与 SAGE）对 7Be 中微子通量施加了何种约束？

主要发现

• 氯化物实验中 7Be 与 CNO 中微子捕获率总和的 95% 置信上限为 0.46 SNU，显著低于标准太阳模型预测的 1.1 ± 0.1 SNU。
• 氯化物实验中 pep、7Be 和 CNO 中微子捕获率的最佳估计值为负数（−0.66 ± 0.52 SNU），若不发生中微子振荡，则表明存在根本性矛盾。
• 标准太阳模型对 7Be 中微子通量的预测具有极高的稳健性，仅存在 ±6% 的不确定性，且独立于 7Be(p,γ)8B 反应率的不确定性。
• 当与镓实验数据结合时，7Be 中微子通量的 95% 置信上限为 19 SNU，仍仅为标准模型预测值 34 ± 4 SNU 的约 56%。
• 该分析表明，若标准电弱理论与太阳模型预测均正确，则至少四个运行中的太阳中微子实验中有三个必须是错误的。
• 即使在 MSW 中微子振荡模型下，7Be 中微子通量也必须至少比标准太阳模型预测值低两个数量级。