中微子是组成自然界的最基本的粒子之一

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1、中微子是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号 表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有 12 种，包括 6 种夸克（上、下、异、粲、底、顶），3 种带电轻子（电子、缪子、陶子）和 3 种中微子（电子中微子，缪中微子和陶中微子）。中微子是 1930 年德国物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量似乎不守恒而提出的，五十年代才被实验观测到。 中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力。穿越地球直径那么 厚的物质，在 100 亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检 测非常困难。正因为如

2、此，在所有的基本粒子，人们对中微子了解最晚，也最 少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反 应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新 星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的 残留，大约为每立方厘米 100 个。中中微微子子的的发发现现粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有12 种，包 括 36 种夸克（上、下、奇、粲、底、顶、每种夸克有三种色，还有以上所 述夸克的反夸克）， 3 种带电轻子（电子、 子和 子）和 3 种中微子 （电子中微 中微子子， 中微子和 中微子）。中微子是 1930 年德国

3、物理学家泡利为了解 释 衰变中能量似乎不守恒而提出的，五十年代才被实验观测到。 中中微微子子的的观观测测中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力。穿越地球直 径那么厚的物质，在 100 亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中 微子的检测非常困难。正因为如此，在所有的基本粒子，人们对中微子了解 最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产 生，例如核反应堆发电（ 核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝 塔衰变）、超新星爆发、 宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部 分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100 个。1998 年，日本超级神岗实验以

4、确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一 种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后，这一结果得到了许 多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的 规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反 物质的不对称很有可能是由中微子造成。 由于 中微子探测技术的提高，人们可以观测到来自天体的中微子，导致了一种新的天文 观测手段的产生。美国正在南极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文 望远镜冰立方。法国、 意大利、俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中 建造中微子天文望远镜。 KamLAND 观测到了来自地心的中微子，可以用来研 究地球构

5、造。 中中微微子子的的谜谜团团中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到，大小未知； 其次，它的反粒子是它自己还是另外一种粒子；第三，中微子振荡还有两个 参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关；第四，它 有没有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地 球物理的交叉与热点学科。1 编编辑辑本本段段术术语语定定义义名名称称英英文文名名称称：n ne eu ut tr ri in no o 中微 中微子子个头小，不带电，可自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用，号称宇 宙间的“隐身人”。科学家观测它颇费周折，从预言它的存在到发现它，用 了 10 多年的时间

6、。 泡泡利利预预言言要说中微子，就不得不提它的 “老大哥”原子基本组成之一的中 子。中子在衰变成质子和电子（ 衰变）时，能量会出现亏损。物理学上 著名的哥本哈根学派鼻祖 尼尔斯玻尔据此认为， 衰变过程中能量守恒 定律失效。 1931 年春，国际核物理会议在罗马召开，当时世界最顶尖的核物理学家 汇聚一堂，其中有海森堡、泡利、 居里夫人等。泡利在会上提出， 衰变 过程中能量守恒定律仍然是正确的，能量亏损的原因是因为中子作为一种大 质量的中性粒子在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子， 正是这种小质量粒子将能量带走了。泡利预言的这个窃走能量的“小偷” 就是中微子。 编编辑辑本本段段研研究

7、究范范围围获获得得来来自自恒恒星星内内部部的的信信息息中微子 最早的中微子天文学是天体物理的一个分支，主要研究恒星上可能发生的中微子过程以及 这些过程对恒星的结构和演化的作用。中微子是不带电的静止质量为零或很 小的基本粒子。它和一般物质的相互作用非常弱，除特殊情况外，在恒星内 部产生的中微子能够不受阻碍地跑出 恒星表面，因此探测来自恒星内部的 中微子可以获得有关其内部的信息。最早的研究集中在太阳。太阳的能源主 要来自内部的质子 -质子反应，因而会产生大量的中微子。美国布鲁克海文 实验室的戴维斯等人用大体积 四氯化碳作靶，利用 37Cl 俘获中微子的反应 来探测太阳的中微子发射率。实测的结果远远

8、小于恒星演化理论的太阳标 中微子望远镜准模型的预期值，这就是著名的中微子失踪案。近年来人们发现原来使用的 恒星大气中元素的不透明度太小，改进后已有所改善。进一步日震研究改进 了太阳内部结构，从而大大地缓和了这个矛盾。另一个可能是中微子有很小 的静质量。果如此则可以解释宇宙中的质量短缺问题。 更更多多方方面面中微子还大量地产生于超新星爆发时和宇宙中其它物理过程中。在日本 的一个矿井和美国的俄亥俄用一个巨大的水容器来探测切连可夫辐射，从而 探测到了来自超新星 SN 1987A 的中微子辐射。欧洲共同体的 GALLEX 和俄 国的一个装置利用中微子和镓的相互作用来探测中微子。 编编辑辑本本段段研研究

9、究历历史史中中微微子子的的发发现现要追 中微子通信溯中微子发现的经过，还要从 19 世纪末 20 世纪初对放射性的研究谈起。 科学家们发现，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的 光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。 这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的。奇怪的是，物质在 衰变过程中释放出的由 电子组成的 射线的能谱却是 连续的，而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失 踪了。 1930 年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，认为在 衰变过程 中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所

10、不同 的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。这种粒子 与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核 的能量总和是一个确定值，能量守恒仍然成立，只是这种未知粒子与电子之 间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”，最 初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。但在1931 年，泡利在 美国物理 学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变 产生的。1932 年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中 子”正名为“中微子”。 1933 年，意大利物理学家费米提出了 衰变的定量理论，指出自然界 中除了已知的引力和

11、电磁力以外，还有第三种相互作用弱相互作用。 衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中 微子 心宿二。他的理论定量地描述了 射线能谱连续和 衰变半衰期的规律， 能 谱连续之谜终于解开了。 证证实实中中微微子子泡利的中微子假说和费米的 衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究 还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过，中微子 是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在 德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着 衰变和检验中微子 的实验。1941 年，王淦昌写了一篇题为 关于探测中微子的一个建议 的 文章，发表在次年美国的 物理评论

12、杂志上。1942 年 6 月，该刊发表了 美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这 是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功，直到1952 年，艾伦与罗德巴克合作，才第一次用成功地完成了实验，同一年，戴 维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证证明中微子不是几个而是一个。 在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微 子与质量相互作用引起的反应，直接探测中微子。由于中子与物质相互作用 极弱，这种实验是非常困难的。直到1956 年，这项试验才由美国物理学家 弗雷德里克莱因斯完成。首先实验需要一个强中微子源，核反应堆就是合 适的源。这是由于核

13、燃料吸收中子后会发生裂变，分裂成碎片时又放出中子， 从而使其再次裂变。裂变碎片大多是 放射性的，反应堆中有大量裂变碎 片，因此它不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源。因为中微子反 应几率很小，要求用大量的靶核，莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了 两个装有氯化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是 是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光。由于中 微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了 中微子的存在。为此，他与发现轻子的美国物理学家马丁珀尔分享了 1995 年诺贝尔物理学奖。 在泡利提出中微子假说以后，经过26 年，人们才第一

14、次捕捉到了中微 子，也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。 中中微微子子是是哪哪一一味味？每一种中微子都会释放对应的粒子 电子中微子释放电子， 中微 子释放 子，同理， 中微子释放 子。它们的发光模式会泄露天机， 让科学家辨别出中微子的 “味”，可信度达到 25%。 电电子子中中微微子子 电子与原子相互作用，将能量一下子释放出来，会照亮一个接近球形的区域。 中中微微子子 子不像电子那样擅长相互作用，它会在冰中穿行至少1 千米，产生 一个光锥。 中中微微子子 子会迅速衰变，它的出现和消失会产生两个光球，被称为“双爆”。对对中中微微子子的的研研究究为了研究中微子的性质，各国建造了大量探

15、测设施，比较著名的有日本 神冈町的地下中微子探测装置、意大利的 “宏观”、俄罗斯在 贝加尔湖建 造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。 1994 年，美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下 800 米深处安装辐射探测器，以观测来自宇宙射线中的中微子。使用南极冰 原作为探测器的安置场所，是因为冰不产生自然辐射，不会对探测效果产生影响。此外，把探测器埋到深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其 他辐射。 宇宙中微子的产生有几种方式。一种是原生的，在宇宙大爆炸产生，现 在为温度很低的宇宙背景中微子。第二种是超新星爆发巨型天体活动中，在 引力坍缩过程中，由质子

16、和电子合并成中子过程中产生出来的，SN1987A 中微子就是这一类。第三种是在太阳这一类恒星上，通过轻核反应产生的十 几 MeV 以下的中微子，目前还无法搞清楚的太阳中微子就是其中之一。第四 种是高能宇宙线粒子射到大气层，与其中的原子核发生核反应，产生 、K 介子，这些介子再衰变成中微子，这种中微子叫 “大气层中微子 ”。 五是宇宙线高能持子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞产生 介子，这个过 程叫“光致 ”， 介子衰变产生高能中微子，这种中微子能量极高。第 六种是宇宙线高能质子打在星体云或 星际介质的原子核上产生核反应生成 的介子衰变为中微子，特别在一些中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中 微子。第七种是地球上的物质自发或诱发裂变产物 衰变产生的中微子， 这类中微子是很少的。 泡利提出中微子假说时，还不知道中微子有没有质量，只知道即使有质 量也是很小的，因为电子的最大能量与衰变时放出的总能量很接近，此时中 微子带走的能量就是