今天我們討論一個很前沿地科學(xué)話題，到底有多前沿呢？先聽聽它所擁有的頭銜：宇宙深處的神秘信使、幽靈粒子、暗物質(zhì)已知的候選者，看到這些名詞，估計(jì)伙伴們已經(jīng)知道它是誰了。對，沒錯！它就是一秒鐘能夠穿透你大拇指一萬億次的奇異粒子——中微子。哈哈，有沒有被震驚到，不過它的神奇之處才剛剛開始，我們就從一下幾個方面開始今天的探秘之旅吧！
帶著這些疑問和期待我們一起垂釣中微子！
太陽內(nèi)部的橫截面
要想了解中微子，我們還是要先從我們的太陽說起，直到上個世紀(jì)初還沒有人能解釋太陽內(nèi)部和周圍的發(fā)生著什么。?愛因斯坦通過他最著名的方程式，E=mc2表明質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)化。一個微小的物質(zhì)微粒蘊(yùn)含著巨大的能量。這個想法證明了太陽的核心發(fā)生著核聚變反應(yīng)，氫原子核發(fā)生聚變反應(yīng)形成氦原子核，在這個過程中釋放出大量的能量來對抗恒星的重力坍縮。這種反應(yīng)產(chǎn)生了巨大的能量，整個太陽系在這種能量上已經(jīng)維持了大約45億年。
我們以光子的形式接收來自太陽的能量。但是，這些光子來自太陽的表面和大氣層。那我們是怎么知道太陽內(nèi)部發(fā)生了什么?我們怎樣才能證明太陽內(nèi)部存在核聚變呢?答案就在一種奇怪的、幾乎無法探測到的粒子中微子身上。
在原子核中，如果兩種核素（質(zhì)子和中子）的數(shù)量不平衡，那么原子核就不穩(wěn)定，因此它會釋放出能量粒子來變得更加穩(wěn)定。在19世紀(jì)早期，人們發(fā)現(xiàn)，如果只有原子核和電子參與到原子的β衰變中，能量和動量守恒就會出現(xiàn)異常。
讓我們來考慮一個較重的原子核X， 質(zhì)量數(shù)為A和質(zhì)子數(shù)為Z。這里，質(zhì)子數(shù)大于中子數(shù)，核素的不平衡使原子核變得很不穩(wěn)定。原子核將會通過弱相互作用（自然界四大基本力之一）經(jīng)歷一個正電子衰變的過程，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，從它的核中發(fā)射出一個正電子，成為更穩(wěn)定的原子核Y。正電子通常用β ? 表示。
原子核衰變
?正電子是電子的反粒子(因此也稱為反電子)，與電子質(zhì)量相同，電荷相反。反粒子的概念是保羅·狄拉克的革命性著作，正電子是狄拉克本人提出的第一個反粒子概念。
質(zhì)子和中子由一些叫做夸克的基本粒子組成?？淇擞辛N類型或風(fēng)味，即上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，而中子有兩個下夸克和一個上夸克組成。
當(dāng)原子核X經(jīng)歷正電子衰變時，弱相互作用將上夸克轉(zhuǎn)化為下夸克，從而將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，反之亦然。這就是為什么質(zhì)子數(shù)從Z減少到Z-1而質(zhì)量數(shù)保持不變的原因。在這個過程中產(chǎn)生了一個正電子。正電子是在原子核內(nèi)部產(chǎn)生的，由于它與帶正電荷的原子核之間的靜電斥力而被逐出原子核。這個過程被稱為原子核X的放射性衰變。
最初，原子核X處于靜止?fàn)顟B(tài)，動量為零。因此，經(jīng)歷β衰變后的原子核Y和β ?應(yīng)該在相互相反的方向上具有相等的動量，以保持動量守恒，即P?=-P??。讓我們假設(shè)，P?=-P??=P。
過程中釋放的能量是兩種產(chǎn)物的動能之和
由于兩種產(chǎn)物具有相同的動量，因?yàn)檎娮拥馁|(zhì)量較小，所以正電子幾乎攜帶了所有的動能。因此，過程中釋放的能量大約等于正電子所攜帶的動能，即常數(shù)?Q=K??(請悉知動能和動量的區(qū)別)
然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出一個連續(xù)分布的能量值和正電子的發(fā)射數(shù)量關(guān)系如下圖所示：
正電子衰變過程中釋放的正電子能譜
從圖中可以明顯看出，大多數(shù)正電子攜帶的能量都比Q小得多，能量為Q的正電子數(shù)量實(shí)際上為零。這意味著正電子攜帶的能量是可變的，而不是理論計(jì)算預(yù)測的常數(shù)。
有一種類似的衰變過程，中子被轉(zhuǎn)換成質(zhì)子，從原子核中噴射出一個快速運(yùn)動的電子。這些快速移動的電子被稱為β?粒子，因此衰變過程通常被稱為β?衰變。β粒子通常用表示為β?。在這個過程中也觀察到了類似的能量異常。
為了調(diào)和這一反常現(xiàn)象，沃爾夫?qū)づ堇?Wolfgang Pauliin)在上世紀(jì)30年代提出了一個可以完美解決這一反常現(xiàn)象的想法。他提出在這個過程中會產(chǎn)生第三個靜止質(zhì)量為零、電荷為零的粒子，它攜帶著衰變中缺失的能量。這種新粒子補(bǔ)償了衰變過程中能量和動量的異常。
1933年，物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)提出了一種β衰變理論，通常稱為費(fèi)米相互作用。在這個理論中，費(fèi)米第一次為正電子衰變過程中產(chǎn)生的新粒子正名為中微子，用ν表示。
在β?衰變過程中也會產(chǎn)生類似的粒子，通常被稱為反中子，即中微子的反粒子。反中微子用（ν-上標(biāo)）表示。
從下圖可以很好地理解整個β衰變過程:
β?衰變圖示
中微子是一種具有獨(dú)特特性的粒子。質(zhì)量極低(最初它們被認(rèn)為是無質(zhì)量的)，沒有電荷。它們很少與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。由于中微子的非交互性，在你看這篇文章時你已經(jīng)被中微子穿透無數(shù)次了，它能輕松穿透地球都不帶偏轉(zhuǎn)的，什么X射線，γ射線簡直弱爆了。因此，探測中微子是一件極其困難的事情，所以中微子也被稱為自然界的幽靈粒子。
1942年，中國核物理學(xué)家王淦昌提議中微子可以在一個非常罕見的過程中被探測到，稱為電子俘獲。在這個過程中，一個缺中子的原子核從原子的內(nèi)殼層(通常是K或L)吸收電子，并將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，從原子核中會釋放出中微子。釋放的中微子攜帶著反應(yīng)中產(chǎn)生的所有衰變能量，這與β衰變中的情況不同。
1956年，物理學(xué)家克萊德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德里克·萊恩斯(Frederick Reines)在他們著名的考恩-萊恩斯中微子實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了中微子，并因此獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎。在本實(shí)驗(yàn)中，利用衰變在核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的反中微子與質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，使質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子釋放正電子。
正電子（β ?）和一個電子以伽馬射線的形式相互湮滅釋放能量，這種射線是可檢測到的。同樣，中子也被俘獲在釋放伽馬射線的原子核中。電子湮滅和中子俘獲的巧合是反中微子相互作用的一個標(biāo)志，證明了反中微子的存在。
太陽中微子是太陽在一系列核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的中微子。這些中微子的主要來源是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)。
太陽中微子是地球上從任何自然來源接收到的最大數(shù)量的中微子。事實(shí)上，每秒鐘就有一萬億中微子穿過我們的拇指。那么，如何檢測和計(jì)算這些到達(dá)地球的太陽中微子的數(shù)量呢?
太陽中微子
在20世紀(jì)60年代由雷蒙德·戴維斯和約翰·N·巴赫克進(jìn)行的Homestake地下礦井實(shí)驗(yàn)，一個裝滿了富含氯的液體的大容器——全氯乙烯，被建造在地下1500米深處(以保護(hù)實(shí)驗(yàn)不受宇宙射線的影響)。因?yàn)橹形⒆优c物質(zhì)相互作用的可能性非常低，所以實(shí)驗(yàn)所用的液體量非常大，以便最大限度地提高中微子相互作用的可能性。來自太陽的中微子很少一部分與氯-37原子核發(fā)生相互作用，并將其轉(zhuǎn)化為放射性同位素氬-37。
通過收集形成的氬-37原子，并計(jì)算氬-37原子的數(shù)目，確定了對太陽中微子的成功探測，同時也計(jì)算了中微子的數(shù)目。
然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些中微子的數(shù)量只有理論計(jì)算的三分之一。中微子計(jì)數(shù)上的這種差異通常被稱為太陽中微子問題，（下文會解釋）但這是人類第一個成功探測和計(jì)數(shù)太陽中微子的實(shí)驗(yàn)。
幾年后，人們發(fā)現(xiàn)除了通常已知的電子中微子之外，還有另外兩種風(fēng)味或類型的中微子，即μ介子中微子和τ中微子。后來人們假定中微子具有非零的靜止質(zhì)量，這與幾十年前的看法剛好相反，中微子的每一種風(fēng)味都略有不同，但質(zhì)量卻相差無幾。根據(jù)宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型，太陽中微子是電子中微子，理論上只有這些風(fēng)味的中微子存在。然而，目前已經(jīng)觀察到中微子的第四種風(fēng)味可能存在，它被命名為S中微子——惰性中微子，這可能導(dǎo)致未來宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的修訂。
中微子的味
1998年，在日本超級神岡天文臺進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，從太陽發(fā)出的中微子在飛往地球探測器的圖中會改變風(fēng)味（類型）。一些來自太陽的電子中微子在到達(dá)地球之前會轉(zhuǎn)變成另外兩種風(fēng)味。由于風(fēng)味的變化，Homestake地下礦井實(shí)驗(yàn)中的探測器無法檢測到所有的太陽中微子，這為解決太陽中微子問題提供了一個令人滿意的解決方案。
日本超級神岡中微子天文臺
美國科學(xué)家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis Jr）、日本科學(xué)家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美國科學(xué)家里卡爾多·賈科尼(Riccardo Giacconi)，分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎，因?yàn)樗麄冊谔綔y太陽中微子方面做出了貢獻(xiàn)。
在這些發(fā)展之后，人們對中微子研究投入了更多的精力。對這種特殊粒子的獨(dú)特性做了許多小型到大型實(shí)驗(yàn)，希望能更好地了解它的行為。德國的卡特琳實(shí)驗(yàn)用世界上最大的光譜儀在2018年開始收集數(shù)據(jù)，以確定電子中微子的質(zhì)量。
正在運(yùn)輸?shù)目ㄌ亓謱?shí)驗(yàn)的巨型光譜儀
2013年，多個國家合作進(jìn)行的T2K實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子振蕩理論。
雖然中微子是一種微小的質(zhì)量粒子，但它們的數(shù)量之多可以對其他物質(zhì)產(chǎn)生巨大的引力。因此，目前確定的三個中微子是暗物質(zhì)中唯一已知的基本候選粒子。
當(dāng)宇宙射線與地球大氣中的原子核相互作用時，會產(chǎn)生一些粒子，例如正電子，其中也包括中微子。1965年，在印度科拉爾金礦的地下實(shí)驗(yàn)室中，首次探測到宇宙射線與大氣原子核相互作用產(chǎn)生的大氣中微子。
中微子是天文學(xué)中的一個重要粒子。太陽核心不能用普通的電磁射線成像。因?yàn)榇蟛糠值妮椛涠紵o法穿透高密度和高壓富含帶電離子的環(huán)境。由于中微子的低質(zhì)量和零電荷，它們很容易穿透太陽的外層到達(dá)地球。這些中微子可以用來成像太陽的核心。由于同樣的原因，中微子在超新星和星系核的觀測中也有重要的用途。
太陽中微子的發(fā)射
中微子是探測太陽系外天體物理源的理想候選粒子，因?yàn)樗鼈兪俏ㄒ灰阎耐馓樟Ｗ?，在穿越太空時不會顯著衰減。
2012年，一組美國科學(xué)家通過一塊237.744米厚的巖石傳輸了一條連貫的中微子信息，這標(biāo)志著中微子首次被用于通訊。它可能會在未來導(dǎo)致中微子通信的誕生，在那里二進(jìn)制中微子信息可以通過密度更大的材料，如穿越地球核心發(fā)送中微子信息。
位于南極的冰立方中微子觀測站使用了一個1000立方米的冰塊，整個體積都裝有光電倍增管，用于探測宇宙中微子。
南極洲冰立方中微子天文臺
2018年，該團(tuán)隊(duì)宣布他們已經(jīng)探測到高能中微子擊中了他們的探測器，這些中微子來自距離地球37億光年的拉扎爾TXS 0506+056，位于獵戶座的方向。
中微子是宇宙中的一種奇異粒子，在未來可能關(guān)于中微子會有許多神奇的發(fā)現(xiàn)。它是一個從深空到地球的信使，掌握著宇宙許多奧秘的鑰匙，我們期盼著中微子隨著時間的推移會給我們帶來意想不到的驚喜。每隔一段時間，全球不論是哪個科學(xué)領(lǐng)域都會有新的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)會為我們揭開一個已知的自然之謎。但是，他們又會對我們理解自然規(guī)律提出了新的問題。不過這就是科學(xué)的誘人之處，一個不斷循環(huán)和揭開奧秘的過程，但科學(xué)是不斷朝著更好地理解宇宙的方向前進(jìn)。這一點(diǎn)令我們感到欣慰，我們終有一天會知道這一切到底是怎么回事。
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