中微子
刘佳
中科院物理所
2018-03-15 11:46:26
转自公众号：知识分子
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太阳不只赋予我们光，还发射了无数中微子，穿过我们的身体。
来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落，而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”，去给宇宙中微子们“称重”。
一个静谧的午后，我正试图向妈妈解释什么是中微子。“如果你把大拇指竖起来，每一秒钟，就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”“700亿？！”听到这个数字，妈妈吓了一跳，赶紧把手揣回口袋。
可事实却是，妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用：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，“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦！”“不过不用担心，”我告诉妈妈，“中微子是无害的。”然而，这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。
我们目前知道的有四种力：引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部，所以我们平时都感受不到。除了引力，中微子只参与弱力（比强力弱非常非常多），它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙，也不撞上任何其它粒子！也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应，很长一段时间，我们都不知道它的存在。
1930年12月4日，在德国图宾根市有一个物理大会。
鲍利让朋友在会上宣读了一封信，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。1934年，费米觉得这个想法不错，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”。在鲍利猜想后的第26年，中微子终于在1956年被科温和莱因斯等人用实验证实。
上世纪六十年代，问题又来了。人类那时已经有能力探测到来自太阳的中微子。其中最著名的是美国南达科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克实验。当时也已经有了比较完善的标准太阳模型，可以通过计算太阳中心核聚变的速率，推算出每一秒有多少中微子被太阳射出来。但是在地球上探测到的太阳中微子，却只有预测的三分之一。人们怀疑：不是太阳模型的理论错了，就是中微子实验出了毛病！不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了？
然而结果让人大跌眼镜——太阳模型理论没错，中微子探测实验结果也没错！问题出在中微子身上，它们比我们想象中的要更有趣！
中微子振荡的发现，证明了中微子质量不为零。在相对论中，质量为零的粒子以光速运行，时间对它们来说是静止的，因此它们“不知道”时间的存在。而“振荡”的发生要求中微子“知道”时间流逝了多少，然后相对地去“变味”，进而证明了中微子质量必须不为零。
宇宙中微子背景辐射在宇宙大爆炸发生后的瞬间，整个宇宙像一碗超级热汤，各种粒子（包括中微子）不停地产生和泯灭。而当宇宙迅速膨胀，粒子密度骤然下降后，中微子再也撞不上其它（有电磁力和强力作用的）粒子了，于是在宇宙大爆炸后仅一秒钟，中微子就停止了和其它粒子的弱力作用，从此在宇宙中自由飘荡——这就是宇宙中微子背景辐射。
测量中微子的质量，不仅仅是给粒子物理标准模型填补空白那么简单。中微子和其它的费米子相比，质量微小得有些诡异，电子（中微子以外最轻的费米子）的质量至少是中微子的百万倍。如果中微子也和其它的粒子一样，都是通过希格斯玻色子获得质量，为什么它的质量会如此微小？难道它们的质量是通过其它的物理机制获得的？对于中微子质量的准确测量，将帮助我们回答这些问题，甚至给粒子物理的未来发展指明方向。