白话科学之带你走进奇妙的微观世界 说说中微子

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我们的身边以及宇宙中充满了这些中微子，形象化一下，我们竖起大拇指，每秒钟，就有700亿个中微子穿过我们的大拇指。

有个朋友提问：“哪位大咖知道什么材料可以阻挡中微子？”在我回答问题的时候，发现这个问题非常有趣。可能有些朋友不了解或者不太了解什么是中微子。下面就让这篇科普文章，带你走进这个奇妙的微观世界，了解一下我们身边无处不在的中微子。

在这篇文章里，您将了解到：什么是中微子？中微子是如何产生的？我们如何才能感知或者观测到中微子的存在？探索中微子对人类的意义？

• 首先说一下硬核：目前在地球上（也可以说全宇宙，除了黑洞等能对中微子产生一定影响外）没有任何材料能阻挡住中微子！
• 为什么呢？因为它太小了，小到可以在任何原子之间自由穿梭；因为它太轻了，任何粒子对它都不能产生作用，以至于我们竟无法测量他的质量；它速度太快了，中微子以光速在宇宙间自由行进，一颗中微子在太阳内核产生后，只要2秒就可以离开太阳表面，然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒。
  
  

我们的身边以及宇宙中充满了这些中微子，形象化一下，我们竖起大拇指，每秒钟，就有700亿个中微子穿过我们的大拇指。

中微子又被科学家称为“幽灵粒子”，它是名副其实的“幽灵粒子”，它们能够悄无声息地穿过人体和墙壁，神不知鬼不觉。虽然已经被发现了100多年，但很长时间以来，中微子一直是一个谜团。科学家对这种粒子的来源十分困惑。

1.什么是中微子？

• 物质的构成，从宏观到微观
  
  

为了理解什么是中微子，我们就得首先了解物质是由什么构成的。

在中学阶段，我们学习到，世间万物，都是由分子构成的，而分子是由原子组成的，而原子是由原子核和电子组成的，由于分子的原子数和电子数不同、原子和电子相互作用不同，从而构成世界上有差异的各种物质元素，我们还学到了元素周期表。到了大学，我们又进一步学到原子核是由质子和中子组成的。（只有氕除外，它是氢的一种同位素，不含中子）很长一段时间，人们都认为到了质子和中子、电子是不再可分的基本粒子。

图一 原子结构示意图

近代粒子物理的研究表明，质子、中子、电子等这些粒子又进一步地细分与组合，形成许多其它不同的粒子。比如质子和中子由名叫夸克（quark）的基本粒子所组成。每个质子或中子由三个夸克所组成。所有这些原子内部结构的、比原子更小的各种粒子，统称为次原子粒子（subatomic particle）

次原子粒子又分为两种类型：费米子和玻色子

• 费米子（fermion）
  
  

这类是用于构成物质原子本身的基本粒子，也可以说是有型的，如质子、中子、电子等；

• 玻色子（boson）
  
  

这类是在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的基本粒子。

基本费米子又可以分成两类：夸克（quark）和轻子（lepton）

• 夸克（quark）夸克是一种可参与强相互作用力的基本粒子，
• 轻子（lepton）轻子是一种不参与强相互作用力的基本粒子。
  
  

每一种费米子都有一个与之对应的反粒子，反粒子具有相同的质量但具有相反的电荷。

目前经过实验和推理，世界上共存在6种夸克和6种轻子。

• 这6种夸克是：
  
  

上夸克（u或up）、 下夸克（d或down）；奇夸克（s或strange） 、粲夸克（c或charm）；底夸克（b或bottom）、 顶夸克（t或top）。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。

图二 中子和质子构成示意图

• 6种轻子是：
  
  
  电子（e或electron）、电中微子（electron neutrino）；μ子（muon）、μ中微子（muon neutrino）；τ子（tau particle）、τ中微子(tau neutrino)。
  而我们所说的中微子就是指电中微子（electron neutrino）、μ中微子（muon neutrino）、τ中微子(tau neutrino)这三种。
  • 次原子粒子的组成结构见下图：
    
    
  

  图三 次原子粒子的构成示意图

  是不是有点懵了？不用太了解上面的生涩的名词，我们就知道，现代科学，可以深入了解分子是可分的、而且分子内部还相当复杂就行。
  2.中微子是如何产生的？
  我们知道，要把原子核拆成质子、中子等“零件”，需要巨大的能量，那么这么大的能量来自哪里？核反应。我们最近的恒星，太阳，时时在发生核聚变反应，将氢转变成氦，在释放出巨大能量的同时，也产生了大量的中微子。因此我们周围最大的中微子源，就是太阳。
  同理，宇宙之中有无数个恒星，它们也在不断的向空间中释放无数个中微子，除此还有中子星、伽马射线爆发、超新星。另外最近研究发现还有一些急剧收缩的天体，如白矮星、黑洞等等靠收缩来释放能量的天体，也能产生中微子。
  我们在地球上的核反应堆里，也探测到中微子的产生。
  3.我们如何才能感知或者测量到中微子的存在？
  • 中微子是如何被发现的？
    
    
  19世纪20年代，物理学家在众多实验发现在β衰变中，能量守恒定理不管用了。按理说，中子衰变成一个质子和一个电子 （n → p + e） 的话，电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量，并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了！
  

  图四 电子能量的消失

  这是怎么回事？物理学家们开始怀疑物理定律，觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。
  1930年12月4日，在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利 （Wolfgang E.Pauli，1900 - 1958） 让朋友在会上宣读了一封他的信，建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说，中子衰变后，除了质子和电子，还有第三个粒子被制造出来。
  

  图五 鲍利1930年来信原文，图片来源：CERN

  在1934年，费米 （Enrico Fermi，1901 - 1954） 觉得这个想法不错，就把这颗新粒子加进了他的β衰变理论里，并取名为“中微子” （neutrino） –––来自意大利语，意为“中性的微小粒子”形成了完美的β衰变能量守恒。
  • 如何观测中微子的存在？
    
    
  在鲍利猜想后的第26年，中微子终于在1956年被科温 （Clyde Cowan，1919 - 1974） 和莱因斯 （Frederick Reines，1918 - 1998） 等人用实验证实。他们用两个各装有一百升水的容器作为探测器，发现 从核反应堆里产生的中微子与容器里的质子作用，发生β衰变并产生伽马射线和中子 。
  从此以后，各国科学家采取了不同方法对宇宙中的中微子进行观测。
  由于中微子的特性，使得它非常难以直接观测。首先，人们先要排除宇宙中其它高能射线或粒子流的干扰，如β射线、γ射线等，因此所有中微子观测实验室都是建在几千米深地底下，动辄利用数千吨纯水、重水、冰块或是其他物质作为探测器，期待中微子能够与探测器内部的原子核发生碰撞，产生出微弱的闪光，再辅之以极其灵敏的感光设备，探测和记录每一个来之不易的中微子信号。这样的探测装备自然是要花费大量的人力和物力。在1970年的时候，科学家也实现了首次利用氢气泡室直接观测到中微子。
  理论计算，科学家发现，中微子的质量很小很小，几乎接近于0，质量最大也就只有电子质量的百万分之一；而且它由于显现的是电中性，所以它又不会参与电磁相互作用；再加上中微子的穿透力极其强，想通过弱力捕捉到它的概率是极其低的，这概率有多低呢？我们来看一个数据：一个中微子大概要在宇宙中穿行一光年的距离，才有大概二分之一的概率会和这段路径上的物质发生反应。
  所以，想要捕捉中微子的难度可想而知。
  

  图六 SNO 实验探测装置

  

  图七 超级神冈探测器内部 每个小点都是高灵敏光传感器

  　　而最近一次研究的高能中微子，其“地球之旅”的曝光实际上发生在 2017 年 9 月。当时，位于南极冰层下方的 IceCube 探测器捕捉到了一个来自深空的中微子，它被科学家命名为 IceCube-170922A。与此同时，另一个绕地球运行的望远镜也检测到了来自同一方向的极高能辐射。
  

  图九 位于南极冰层下方的 IceCube 探测器

  当 IceCube 探测器探测到深空高能中微子的信息得到确认后，全球范围内的一大批天文学家都开始着手分析这个中微子留下的数据，尝试定位它的源头。整个观测形成了全球天文界一次声势浩荡的“接力探测”。
  科学家们的努力也没有白费。关于高能中微子来源的可能解释有中子星、伽马射线爆发、超新星和某些星系中心的黑洞辐射，而经过联合观测加上查阅已有的数据资料，科学家们确定，这个高能中微子源自耀变体 TXS 0506+056 。
  4.探索中微子对人类的意义？
  由于中微子是一种几乎没有质量且不带电的粒子，它们以光速移动，很少与其他物质发生作用，无论它们走了多远，其携带的最原始的信息一直得到保留。
  关于中微子的研究，也催生了中微子天文学的产生，成为了目前非常前沿和热门的研究领域。就拿天文学家手里的武功秘籍宇宙微波背景辐射来说，它其实是宇宙大爆炸的余热，在宇宙大爆炸之后，38万年的时候，才开始在宇宙中传播。也就是说，通过宇宙微波背景辐射，我们可以知道宇宙38万年之后的历史，但前38万年的历史，我们是没办法知道的，这就可以通过观测“中微子”来实现。
  中微子的观测能够让我们更加了解微观世界的物理现象，同时帮助我们完善天文学中，恒星，黑洞的相关模型，还能帮助我们掌握更多有关宇宙起源和演化的信息。
  科学家们通过对这样的中微子进行研究，可以一直追溯至产生它的银河系外事件，可能还包括宇宙深处最高能的事件。所以说，捕获（实际不能真的“捕获”，只是收集中微子撞到探测器时探测器传回的数据）并研究这类源自太空深处的中微子，对天文工作来说则至关重要。
  北京时间2012年3月8日14时，大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率，极大地完善了中微子振荡理论，并对进一步理解宇宙物质-反物质不对称具有重要的指标性意义
  中微子目前还存在很多没搞清楚的问题需要科学家们去解决：为什么中微子有质量？还有什么新的基本粒子存在使这一切成为可能呢？这些都是在将来有待解决的问题。随着这些问题的解决，将真正把粒子物理学带入第三个千年，并最终超越标准模型。
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