什么是中微子?

Sam Brind拥有曼彻斯特大学的理论物理硕士学位。

在亚原子水平上，我们的世界是由不同的粒子组成的。然而，有一种粒子经过时不会引起任何注意。中微子质量很小，不带电荷。因此，它感觉不到在原子尺度上占主导地位的电磁力，并且会毫无影响地穿过大多数物质。这就产生了一种几乎无法探测到的粒子，尽管每秒钟都有数万亿颗粒子穿过地球。

泡利的解决方案

在20世纪初，粒子物理学和辐射是最近的发现，并被彻底研究。人们发现了三种类型的放射性:α粒子、β粒子和伽马射线。发射的阿尔法粒子和伽马射线能量被认为发生在离散的值。相反，发射的beta粒子(电子)的能量被观察到遵循一个连续的光谱，在0和最大值[2]之间变化。这一发现似乎违反了能量守恒的基本定律，并在理解自然的构建模块方面开辟了一个缺口。

沃尔夫冈·泡利在一次物理会议上以粗体字的形式写信提出了一种新粒子的想法¹这个问题在1930年得到解决。泡利把他的理论粒子命名为中子。这种新粒子解决了能量问题，因为只有电子和中子能量的组合具有恒定的值。缺乏电荷和质量意味着新粒子的确认似乎极其遥远;泡利甚至为预测了一种他认为不可能探测到的粒子而道歉。

两年后，一种电中性粒子被发现。这种新粒子被命名为中子，但它并不是泡利的“中子”。中子被发现时，其质量远非可以忽略不计。衰变理论最终在1933年由恩里科·费米提出。泡利的理论粒子，也就是中子，现在被称为中微子²，是这个公式的关键部分。费米的工作至今仍是粒子物理学的重要组成部分，他将弱相互作用引入了基本力的列表中。[２]

粒子物理学的概念现在已经建立得很好了，但是在1930年只发现了两种粒子，质子和电子。

2意大利费米的自然名称，使用后缀-ino，字面上翻译为小中子。

中微子的发现

泡利等了20年，直到他的预言最终被证实。Frederik Reines和Clyde L. Cowan Jr.设计了一个探测中微子的实验。实验的基础是来自核反应堆的大中微子通量(量级为10¹³每秒每厘米²)．反应堆中的β衰变和中子衰变产生反中微子。然后它们将与质子相互作用，如下所示:

这会产生一个中子和正电子。发射的正电子将迅速与一个电子碰撞，湮灭并产生两条伽马射线。因此正电子可以被两束能量相同、方向相反的伽马射线探测到。

仅检测正电子还不足以证明存在中微子，发射的中子还必须被检测到。氯化镉是一种强中子吸收剂，被添加到探测器的液体罐中。当镉吸收一个中子时，它会被激发，然后像下面这样去激发:

结果是伽马射线被发射出来。在探测到前两种伽玛射线之后很快探测到这一种额外的伽玛射线，就提供了中子存在的证据，从而证明了中微子的存在。Cowan和Reines每小时检测到大约3个中微子事件。1956年，他们发表了他们的研究结果;中微子存在的证明。[4]

理论细化

尽管中微子已经被发现，但仍有一些重要的性质尚未被确定。在中微子被理论化的时候，电子是唯一被发现的轻子，尽管轻子的粒子类别还没有被提出。1936年，μ子被发现。伴随着μ子，一个相关的中微子被发现，泡利的中微子再次被重新命名为电子中微子。最后一代轻子，tau，是在1975年被发现的。相关的tau中微子最终在2000[3]被探测到。这就完成了所有三种类型(口味)中微子的集合。人们还发现，中微子可以在它们的味道之间切换，这种切换可以帮助解释早期宇宙中物质和反物质的不平衡。

泡利的原始解假设中微子是无质量的。然而，上述味道转换背后的理论要求中微子有一定的质量。1998年，超级神冈实验发现中微子质量很小，不同口味的中微子质量也各不相同。这为回答质量从何而来以及自然力和粒子的统一问题提供了线索。

中微子的应用程序

一种几乎不可能被探测到的幽灵粒子似乎不会给社会带来任何有用的好处，但一些科学家正在研究中微子的实际应用。中微子有一个明显的用途可以追溯到他们的发现。探测中微子可以帮助定位隐藏的核反应堆，因为反应堆附近的中微子通量增加。这将有助于监督流氓国家并确保遵守核条约。然而，主要的问题是从[7]的距离探测这些波动。在考恩和莱因斯的实验中，探测器被放置在距离反应堆11米的地方，以及地下12米的地方，以屏蔽宇宙射线[4]。在现场部署之前，探测器的灵敏度需要显著提高。

中微子最有趣的用途是高速通信[7]。中微子束可以以接近光速的速度直接穿过地球，而不是像传统通信方法那样绕着地球发射。这将允许极快的通信，特别是对金融交易等应用程序非常有用。与中微子束的通信对潜艇人员来说也是一笔巨大的财富。目前，在很深的海水深处，通信是不可能的，潜艇不得不冒着被发现的风险，将天线浮出水面或漂浮在水面上。当然，弱相互作用的中微子穿透任何深度的海水都没有问题。事实上，费米实验室的科学家已经证明了通信的可行性。他们将“中微子”一词编码成二进制，然后使用NuMI中微子束传输这个信号，其中1是一组中微子，0是没有中微子。该信号随后被MINERvA探测器成功解码。[8]

然而，在这项技术被纳入现实世界的项目之前，探测中微子的问题仍然是一个需要克服的巨大障碍。要做到这一点，就需要一个强烈的中微子源，以产生大量的中微子，以确保足够多的中微子可以被检测到来识别1。还需要一个大型的、技术先进的探测器来确保正确探测到中微子。MINERvA探测器重达数吨。这些因素确保了中微子通信是未来而不是现在的技术。[8]

使用中微子的最大胆的建议是，它们可以作为与地外生物交流的一种方法，因为它们可以传播的范围令人难以置信。目前还没有向太空发射中微子的设备，外星人是否能够解码我们的信息完全是另一个问题。[7]

结论

中微子一开始只是一个极端的假设解决方案，用来解决威胁标准模型有效性的问题，但在过去十年中，中微子已经成为标准模型的重要组成部分，而这个模型至今仍是粒子物理学公认的基础。它们仍然是最难以捉摸的粒子。尽管如此，中微子现在是一个重要的研究领域，它不仅可以揭开太阳、宇宙起源和标准模型进一步复杂的秘密。在未来的某一天，中微子甚至可能被用于实际应用，比如通信。通常在其他粒子的阴影下，中微子可能会成为未来物理学突破的前沿。

参考文献

C.怀特和C.比弗，中微子:你需要知道的一切，《新科学家》(2011年9月)，访问于18/09/2014，网址:http://www.newscientist.com

H. Muryama，中微子质量的起源，《物理世界》(2002年5月)，访问时间19/09/2014，网址:http://hitoshi.berkeley.edu/neutrino/PhysicsWorld.pdf

D.沃克，中微子:物质的幽灵，《物理世界》(2005年6月)，2014年9月19日访问，网址:http://physicsworld.com

R.中，Cowan和Reines中微子实验， HyperPhysics，访问于20/09/2014,URL: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/cowan.html

［5］μ介子，大英百科全书，访问于21/09/2014，网址:http://www.britannica.com/EBchecked/topic/397734/muon

[6]科学家发现中微子有质量，《科学日报》，2014年9月21日，网址:http://www.sciencedaily.com/releases/1998/06/980605080658.htm

k·迪克森，一种看不见的粒子可能是一些令人难以置信的新技术的基石， Business Insider，访问于2014年9月20日，网址:http://www.businessinsider.com

T.沃根，基于中微子的通信是第一次，《物理世界》(2012年3月)，访问日期20/09/2014，网址:http://physicsworld.com

©2017 Sam Brind