著名的雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)太阳中微子探测,是在美国南达科他州的霍姆斯代克金矿中进行的。在1.5km深的矿井底部安放探测器,用C2Cl4作为工作物质。盛放C2Cl4的容器体积约400m3。每个C2Cl4分子中含有4个氯原子,其中平均有1个是对中微子敏感的氯同位素37Cl。当1个37Cl吸收1个中微子υ后,会变成1个放射性氩同位素37Ar并放出1个电子e-1,即:
υ+37Cl→37Ar+e-1
虽然发生这种反应的概率很小,但只要含37Cl的工作物质足够多,并且尽量排除其它因素的干扰(如在地表以下进行测量),总是可以通过37Ar的计数测量来探明太阳中微子υ的作用情况的。
应当注意的是,只有能量较高的中微子υ才能和氯同位素37Cl发生反应,而能量较低的中微子则不起作用。也就是说,在质子-质子反应的主链中产生的中微子,因为能量较低,所以不能用上述探测器测出;而在质子-质子反应的附链(第二分支)中产生的高能中微子,才是该设备的探测对象。这个质子-质子反应的附链起始于一个3He核同一个4He核的合并,形成一个铍同位素7Be核;7Be核如能俘获一个质子则会生成硼同位素8B核;8B核经放射性衰变:8B→8Be+e++υ。这里产生的高能中微子υ才是上述探测器所能探测的对象。太阳内部结构模型预言的这种高能中微子,应当能够使上述探测器平均每天测到一个氩原子,即吸收一个高能中微子后的氯原子所转化而成的氩原子。但多年的实际测量结果都表明,平均每4天才产生一个氩原子,即每秒来自太阳的高能中微子只有理论预期的1/4。这个显著的差别就是长期未能解决的太阳中微子短缺之谜。
根据中微子与电子作用后所产生的散射效应也可检测太阳高能中微子的存在情况。从1987年起在日本神冈矿内对太阳中微子的监测就是采用这种方法。该矿井内有3000t水,但为了压低本底,只用其中心部位的680t水作为工作物质,这相当于有2.27×1032个电子。通过测量水中的散射电子所产生的Cerenkov(契仑科夫)辐射即可记录太阳高能中微子所引起的反应。结果还是和雷蒙德·戴维斯以前的探测大体一致:实测的中微子还是偏少,最多只有预期的一半。
太阳内部质子-质子反应主链(第一分支)所产生的γ光子和υ中微子,更能表征太阳的能量释放情况。但是,其中的υ中微子能量较低,不足以引起37Cl变37Ar的反应。因此,应当另选合适的工作物质进行探测。早就知道含有镓同位素71Ga的物质是比较合适的,因为71Ga截获低能量中微子υ后也能发生变为锗原子71Ge和电子e-这样的反应:
υ+71Ga→71Ge+e-
但是,金属镓是贵重物资,要得到含有镓的大量工作物质很是不易。直到90年代初,才有两项实验分别取得了这方面的探测结果。一项是在高加索进行的“苏联美国镓实验”(SAGE),用了60t金属稼;另一项是在意大利阿布鲁齐的一个山洞内进行的“GALLEX实验”,用了30tGaCl3溶液。结果表明,和理论预期的中微子相比,SAGE实验只测到44%,而GALLEX实验测到的也不过83%。
近30多年来对太阳中微子的探测,都不同程度地得到低于理论预期值的结果,在这种情况下,各种各样的解释也相继出台。一种是用所谓中微子振荡模型来解释,即认为不同种类的中微子之间可能发生转变。太阳核反应区所产生的电子中微子υe,在通过太阳内部物质飞出时,可能有相当部分已转变成μ中微子υm,以致发生电子中微子υe的短缺。一种解释认为很可能是计算用的铍-硼附链的反应速率不正确,即一个正常的氦(4He)和一个较轻的氦同位素(3He)相互间的反应几率远小于已取的值。如果改取这个几率,则会减小高能量的中微子流量,从而既可与氯实验相符合,又不会使太阳内部有很大的其它变化。一种是用太阳内部突然发生的物质混合来解释,认为这种内部物质混合会导致氢(H)和氦同位素(3He)突然流向太阳核心,使核反应区释放的能量突然增大,而其体积也随之迅速膨胀。这种体积膨胀又将导致太阳内部温度下降,进而使所有的核反应速度减慢,即各种中微子流量将减小。当多余的能量离开太阳核心后,核反应区将回到原来的状态,太阳中微子流量亦将复原。这种混合机制因而可能具有周期性。如此等等,不一而足。其中最值得重视的是:如果中微子振荡机制得到证实,那就意味着中微子含有静止质量,并可能促使基本粒子理论乃至大爆炸宇宙论作出重大修改。
关于对太阳中微子短缺问题的解释,迄今为止还没有一个公认的成功理论,关键还是在太阳中微子的实际探测上。因为探测太阳中微子的时间短(只有几十年),设备少(只有几个),还不能给出不同时刻太阳中微子流量的公认绝对测量值。就是说在同一时刻落到地球的太阳中微子流量,即使在不同地方进行探测也应当得到相同的结果。可是迄今为止的探测还没有达到这一步,以致很难看出太阳中微子流量的真实大小及其随时的变化情况。这样,任何理论解释都没有一个切实可靠的检验标准,因而也就无法得到公认。相比之下,对太阳(以及其它主序星)光波辐射的观测,时间既长(有几百年),设备又多(有无数的光学望远镜),所测得的太阳光度和表面温度及其随时的变化情况都是没有异议的,在此基础上建立的太阳模型自然会得到公认。当然,太阳模型也应当能解释中微子的辐射,否则就要对它加以适当的修改。而这项工作只有在太阳中微子流量经过绝对定标以后才好进行。