中微子是一種神奇的物質

當你開始讀這篇文章的時刻，每一秒鐘都有650億個中微子穿過你的眼睛，同時有更多的中微子穿過你的身體、你的房子和這個地球，但你卻無法發現它們。

宇宙中充滿了中微子，我們卻無法看見它

科學家們最初是不知道有中微子這樣一種物質存在的。

中微子從原子核的變化中誕生，又可以反作用於質子，把它變成中子；它因爲有極小的質量，所以只能接近光速而不能達到光速，但它卻是宇宙中跑得最遠的粒子。光子雖然速度更快卻很容易被阻擋，但中微子不會，它幾乎可以穿透一切。

由於中微子一直被製造出來，它又很難被捕獲被吸收，所以科學家們認爲宇宙中的中微子數量可能比質子多10億倍以上，它的存在極可能與暗物質、暗能量以及衆多未解的物理學謎題有關。因爲找到這種到處都有、卻又來去無蹤的幽靈粒子，物理學家們至今一共得到四次諾貝爾物理學獎，這也從另一個角度說明了中微子研究的重要性。

中微子概念的提出

我們知道物質都是由原子構成，原子在希臘語中意思是“不可分割”，後來科學家發現原子還可以再分，它由原子核和圍繞在原子核周圍的電子組成，而原子核又由質子和中子構成。再後來又發現質子和中子還可以再分成上夸克和下夸克，以及將夸克們“綁”在一起的規範玻色子（膠子）。夸克、玻色子和電子都被稱爲亞原子粒子。

目前已知的基本粒子

在19世紀後期，科學研究人員對一種稱爲“β衰變”的現象感到困惑。在覈物理學中，β衰變是一種放射性衰變，其中β射線（快速高能電子或正電子）會從原子核裏自發地發射出來。在β衰變中，粒子的能量只減少了極少一點，並且質子靜止的，它沒有遭到撞擊。這似乎違反了能量守恆和動量守恆這兩個基本物理定律。

1930年，物理學家沃爾夫岡·泡利（我們最熟悉他的“泡利不相容原理”）提出這樣一種觀點：有一個額外的粒子可能會帶着缺少的能量和動量從原子核中飛出來了。泡利跟他的朋友德國天文學家沃爾特·巴德說“我做了一件可怕的事情。我已經假設了一個無法檢測到的粒子！”他的意思是他假設的中微子非常可怕，它幾乎沒有質量，並且幾乎不會跟任何東西發生作用。

中微子理論的提出者沃爾夫岡·泡利

事實上，泡利當時給中微子起的名字叫“中子”。1932年，英國物理學家查德威克發現了原子核裏有一個更大質量的不帶電粒子，他稱這個新發現的粒子叫“中子”，因爲他沒意識到這個中子與泡利的“中子”有什麼不同。1933年，另一位物理學家費米發現這是兩種不同的東西，他在“費米的β衰變理論”中稱：查德威克的“大中子”可以衰變爲質子，電子和“小中子”：

費米的β衰變理論

用直觀的圖形可以這樣表示：

自由中子β衰變爲一個質子、一個電子和一個電子反中微子

泡利提出中微子概念並一直堅持它的存在，並非表示他發現了中微子，而只是爲了平衡放射性物質發生β衰變時明顯丟失的能量。在此後的幾十年裏，科學界一直都在尋找這個如幽靈一樣的粒子，但總是束手無策。

找到中微子

中微子之所以不容易找到，就是因爲它極小並且不帶電，所以中微子不與其它粒子相互作用，除非它與質子迎頭相撞。由於宇宙中粒子間的空間相對於中微子而言極其空曠，即便是緻密的中子星都很難阻擋它，科學家們想盡辦法都無法捕捉到中微子。

1941年，著名核物理學家、時任浙江大學教授的王淦昌首次提出使用β捕獲來檢測中微子，詹姆斯·艾倫採用了他的建議，並在1942年發現了中微子存在的證據。

反中微子會與質子相互作用產生中子和正電子

1956年，物理學家Frederick Reines和Clyde L. Cowan根據王淦昌的β捕獲理論想出了一個驗證中微子存在的實驗。他們在美國佐治亞州奧古斯塔附近的薩凡納河核電站反應堆旁邊地下12 米的地方挖了兩個坑，然後埋進去兩個裝了200升純水的罐子，又在裏邊溶解了約40kg的氯化鎘（CDCl 2）。鎘是一種強中子吸收劑，當鎘吸收中子後會由鎘108躍升至鎘109，同時釋放伽馬射線。這個伽馬射線可以被安裝在罐子夾層的110個5英寸光電倍增管接收到。

驗證中微子原理

當β衰變時會產生一個正電子，這個正電子會迅速找到一個電子並相互湮滅，湮滅產生的兩個伽馬射線（γ）是可檢測的；中微子撞擊質子會產生一箇中子。當正負電子湮滅和中子俘獲同時發生，就可以同時檢測到3個伽馬射線，這樣就可以證明中微子實際產生。

β捕獲檢測中微子實驗，左側爲核反應堆，右側爲檢測裝置

Reines和Cowan兩人經過幾個月的觀測，終於從核反應堆產生的數百萬億計中微子中檢測到幾次β衰變反應，他們證明了通過王淦昌的方法是可以證明中微子實際存在的。40年後，Reines因爲通過實驗證明中微子存在獲得1995年諾貝爾物理學獎，Cowan已經去世了。

其實，聽從王淦昌的建議獲得諾貝爾物理學獎的還有物理學家查德威克，他知道原子核中存在中子，但沒辦法證明它。1930年在德國留學的王淦昌建議使用雲室來研究這些粒子，但他自己由於沒有得到主管的支持而無法進行這項實驗，一年後查德威克採用了王的方法，他證實了中子的存在，1935年查德威克因爲發現中子而獲得諾貝爾物理學獎。

兩彈元勳、李正道和鄧稼先的老師，王淦昌院士

最近因爲中微子而獲得諾貝爾物理學獎的是日本科學家Takaaki Kajita和加拿大的Arthur B McDonald（沒錯，他姓麥當勞），他們發現中微子具有質量。

因爲中微子實在是太小，據說3箇中微子加起來的質量只有電子的百萬分之一甚至更低，所以此前一直有觀點認爲中微子可能跟光子一樣是沒有質量的。這兩個科學家通過設在日本岐阜縣超級神岡實驗室的Super-K得到了不同的結果。Super-K是一個巨大的地下中微子探測器，含有50,000噸超純水，並在水池四周配備了數千個光探測器。這兩位科學家通過這臺深埋地下的巨大水池發現了中微子會在它的“三種風格”（有說“味道”）間互相震盪，並且最重的中微子的質量是電子的千萬分之一。

日本Super-K水池四周密佈的中微子探測器

要中微子何用？

目前科學家發現並已經證實的基本粒子中有6種是“輕子”，輕子是原子中的類電子粒子，它們不參與強烈的相互作用，只能通過電磁和弱力相互作用。這6種輕子中，有3種帶負電，它們分別是：

電子（e）
μ子（μ）
tauon（τ）

另3種顯電中性，與每個帶電的輕子相關，有三種不同的中微子：

電子中微子（νe）
μ子中微子（νμ）
tonon中微子（νε）

你可以在前文中“基本粒子”圖表中找到它們，就是圖表左下方6個綠色方塊中表示的粒子，紅框中的是3種對應的中微子。

輕子與已知的三種中微子

包括太陽在內的恆星內部每秒鐘都因核聚變而產生大量的中微子，這些中微子不受引力的影響，它們會以極高的速度逃離，僅每秒鐘到達地球表面的太陽中微子每平方釐米就有650萬個以上；加上放射性物質衰變過程中產生的大量中微子；傳說中宇宙大爆炸初期產生的中微子；超新星爆炸以及中子星旋轉等過程中產生的中微子。可以說我們的宇宙空間裏到處都充斥着這種微小粒子，它們有質量，所以它們很可能就是傳說中的暗物質和暗能量的來源。