神奇中微子“宇宙的隐形人”

今年一月，一项名叫“中微子振荡新模式”的前沿科技成果获得国家自然科学奖一等奖。这一科学奖17年有9次是空缺的。

中微子到底是什么？它有什么性质呢？

中微子是自然界的一种基本粒子，也可以叫做微中子，所谓基本粒子就是组成各种各样物体的基础，不改变物质属性前提下的的最小体积物质。目前已知的基本粒子一共62种，按照作用力的不同可分为三大类，分别为轻子、强子、传播子三大类。而中微子就是轻子中的一种。

在轻子中共有12种粒子，其中3种是：e、τ子、μ子，另外3种是它的反粒子：+e、反τ子、反μ子，一共6种轻子。

而这6种都各自有一个相伴的中微子，分别为：e中微子、τ子中微子、μ子中微子、+e中微子、反τ子中微子、反μ子中微子。

中微子能轻易穿过普通物质而不发生反应！在太阳中由弱相互作用参加的核反应每秒能产生10∧38个中微子，全部畅通无阻的穿越太阳的身体而奔向太空，中微子在宇宙空间中无处不在，每秒穿过我们眼睛的中微子数都有10000000000+个。

正因为它与普通物质不发生作用，与一些物质的相互作用极小，科学家们也就很难探测到它。所以在电影《2012》中描述的从太阳中发出的中微子直接与地核发生反应造成地质运动的大灾难是不科学的。

中微子（图片来源：网络）

在19世纪末上世纪初，科学家发现在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的，但是在物质的β衰变过程中释放出电子组成的β射线的能谱却是连续的，而电子只携带了总能量的一部分，还有一部分能量消失了。这一发现便直接挑战了能量守恒定律！

难道真的是能量守恒定律错了吗？不是！1930年被科学家戏称为“上帝的皮鞭”的奥地利物理学家泡利正式预言了中微子的存在。他认为在β衰变过程中，除电子带走的一部分能量外还有一种粒子带走了剩余的能量，这种粒子质量为零，呈电中性。能量守恒定律在β衰变过程中依然成立。

到了1932年中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利预言的这种粒子正式命名为“中微子”。

沃尔夫冈·泡利

科学家对中微子的探测主要源于太阳的弱核反应，诸如超级神冈探测器。从中微子的预言至今从未停止过对它的研究，美国物理学家柯万和莱因斯等通过实验直接探测到了中微子真实存在。实际上他们探测的是核反应堆β衰变发射的电子和反中微子，该电子反中微子与氢原子核（即质子）发生反β衰变，在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号，从而实现对中微子的观测。他们的发现于1995年获得诺贝尔物理学奖。这也是中微子研究产生的第一枚诺贝尔奖。

超级神冈探测器（图片来源：网络）

2006年，我国与国际开始合作建造大亚湾中微子实验室，于2011年完工。整个实验室有总长3千米的隧道和3个地下实验大厅，共放置8台中微子探测器。每台探测器高5米，直径5米，重110吨，均置于10米深的水池中。

大亚湾中微子实验室（图片来源：网络）

2013年，我国正式筹备建造世界最大的空心有机玻璃球。位于广东的江门中微子实验装置(JUNO)，预计2020年建成运行。为了尽可能多地捕获从核电站飞来的中微子，中国科学家计划制造一个12层楼高的空心有机玻璃球，球内灌有2万吨能跟中微子反应的液体闪烁体。玻璃球将被放置在一个直径40多米、容积5万立方米的水池里。

江门中微子实验室概念图（图片来源：网络）

这是继续大亚湾反应堆实验室后我国主持的在广东开始建造世界最精密的中微子特殊实验室，实验室位于700米深的地下，如果建造顺利我国也将引领世界在中微子领域的研究。

参考资料：

1、Detection of the Free Neutrino: a Confirmation ．Science．1956-07-20

2、The Nobel Prize in Physics 1995 ．Nobel Prize

3、Herbert H. Chen, Physics: Irvine ．California Digital Library

4、江门中微子实验启动建设．人民网

作者：李元甲现代科学报-物理科学编辑部

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