中 微 子
中微子屬輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號(hào)ν表示。它不帶電，自旋為1/2，質(zhì)量非常輕（有的小于電子的百萬(wàn)分之一），以接近光速運(yùn)動(dòng)。中微子個(gè)頭小，可自由穿過(guò)地球，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，被稱(chēng)為宇宙間的“隱身人”。2013年11月23日，在南極冰下的粒子探測(cè)器，首次捕捉到源自太陽(yáng)系外的高能中微子。
中微子是在19～20世紀(jì)之交對(duì)放射性的研究中被發(fā)現(xiàn)的。在量子世界中，能量的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的。不僅原子的光譜不連續(xù)，原子核中放出的α射線和γ射線也不連續(xù)。這是由于原子核在不同能級(jí)間躍遷時(shí)釋放的，符合量子的行為規(guī)律。奇怪的是，在β衰變過(guò)程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續(xù)的，而且電子只帶走了總能量的一部分，還有一部分能量失蹤了。尼爾斯.玻爾據(jù)此認(rèn)為，β衰變過(guò)程中能量守恒定律失效。
1930年，奧地利物理學(xué)家泡利認(rèn)為，在β衰變過(guò)程中，除了電子之外，應(yīng)該還有一種靜質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損。未知粒子、電子和反沖核的能量總和是一個(gè)確定值，能量守恒仍然成立，只是未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。這種未知粒子在1932年由意大利物理學(xué)家費(fèi)米命名為“中微子”。
1933年費(fèi)米指出，自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用—弱相互作用。β衰變就是核內(nèi)一個(gè)中子通過(guò)弱相互作用衰變成一個(gè)電子、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中微子。他的理論定量地描述了β射線能譜連續(xù)和β衰變半衰期的規(guī)律，β能譜連續(xù)之謎終于被解開(kāi)了。
1956年，美國(guó)物理學(xué)家柯萬(wàn)和萊因斯等人第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接探測(cè)到了中微子。他們的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是探測(cè)核反應(yīng)堆β衰變發(fā)射的電子和反中微子，在探測(cè)器里形成有特定強(qiáng)度和時(shí)間關(guān)聯(lián)的快、慢信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)中微子的觀測(cè)。
1962年，美國(guó)萊德曼，舒瓦茨，斯坦伯格發(fā)現(xiàn)第二種中微子—μ中微子。
1968年，美國(guó)戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子失蹤。
1985年，日本神崗實(shí)驗(yàn)和美國(guó)IMB實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大氣中微子反?，F(xiàn)象。
1987年，日本神崗實(shí)驗(yàn)和美國(guó)IMB實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到超新星中微子。
1989年，歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。
1995年，美國(guó)LSND實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能存在第四種中微子——惰性中微子。
1998年，日本超級(jí)神崗實(shí)驗(yàn)以確鑿證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象。
2000年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)第三種中微子，τ中微子。
2001年，加拿大SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)失蹤的太陽(yáng)中微子轉(zhuǎn)換成了其它中微子。2002年，日本KamLAND實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)堆證實(shí)太陽(yáng)中微子振蕩。
2003年，日本K2K實(shí)驗(yàn)用加速器證實(shí)大氣中微子振蕩。
2006年，美國(guó)MINOS實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步用加速器證實(shí)大氣中微子振蕩。
2007年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室MiniBooNE實(shí)驗(yàn)否定了LSND實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
粒子物理的研究結(jié)果表明，構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本的粒子有12種，它包括6種夸克和對(duì)應(yīng)的反夸克（上、下、奇、粲、底、頂，每種夸克有3種色，都有對(duì)應(yīng)的反夸克），3種帶電輕子（電子、μ子和τ子）和3種中微子（電子中微子，μ中微子和τ中微子）而每一種中微子都有與其相對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)。
中微子是一種基本粒子，不帶電，質(zhì)量極小，它與其它物質(zhì)的相互作用十分微弱，在自然界廣泛存在。太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生大量中微子，每秒鐘通過(guò)我們眼睛的中微子數(shù)以十億計(jì)。
粒子間的各種弱相互作用都產(chǎn)生中微子，而弱相互作用速度緩慢造成恒星系統(tǒng)內(nèi)“質(zhì)子-質(zhì)子”反應(yīng)的主要障礙（這也解釋了為什么中微子能輕易的穿過(guò)普通物質(zhì)而不發(fā)生反應(yīng)）。太陽(yáng)內(nèi)部的弱相互作用參與核反應(yīng)，每秒鐘可產(chǎn)生1038個(gè)中微子流向太空。相對(duì)我們每個(gè)人而言，每秒鐘有1011個(gè)太陽(yáng)中微子穿過(guò)身體，即使在夜晚也一樣。
由于中微子與其它物質(zhì)的相互作用極小，中微子的探測(cè)器必須夠大，以求能觀測(cè)到足夠數(shù)量的中微子。為了隔絕宇宙射線及其它可能的背景干擾，中微子的探測(cè)儀器一般設(shè)立在地底下。美國(guó)位于南極站的“冰立方天文臺(tái)”是世界上最大的中微子探測(cè)器。2013年11月21日，多國(guó)研究人員在《科學(xué)》雜志上稱(chēng)，他們利用埋在南極冰下的粒子探測(cè)器，首次捕捉到源自太陽(yáng)系外的高能中微子。
在基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子的質(zhì)量被假設(shè)為零，所以中微子都以光速運(yùn)行。然而，最近幾年對(duì)中微子震蕩的確認(rèn)已說(shuō)明中微子的質(zhì)量雖小，卻不為零，因此中微子的運(yùn)行速度自然要小于光速。
首次對(duì)中微子測(cè)速是在1980年代，通過(guò)從脈沖質(zhì)子束射擊而產(chǎn)生的脈沖π介子束來(lái)測(cè)量中微子的速度。當(dāng)帶電的π介子衰變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生μ子及μ子中微子（或反）、電子中微子（或反）。通過(guò)長(zhǎng)基線的設(shè)計(jì)，由遠(yuǎn)距的加速器以此種衰變方式產(chǎn)生中微子，在削減外因干擾的背景下（例如地殼屏蔽）來(lái)進(jìn)行中微子震蕩的研究。通過(guò)檢測(cè)加速器產(chǎn)生粒子與中微子出現(xiàn)在偵測(cè)器的時(shí)間差，就可測(cè)量出中微子的速度。當(dāng)初測(cè)量的結(jié)果顯示，中微子的速度是光速，與假設(shè)相符。后來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在其它地方重復(fù)，測(cè)量中微子改用MINOS偵測(cè)器，測(cè)出了一個(gè)能量為3GeV的中微子的速度達(dá)1.000051c。由于這個(gè)速度的中間值比光速還要快，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)的不確定性太大（這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)定50MeV為μ子中微子的質(zhì)量上限）。實(shí)際上，中微子的速度應(yīng)該不可能超過(guò)光速。
天文學(xué)家觀測(cè)超新星SN1987A的中微子爆發(fā)，世界各地有三臺(tái)中微子探測(cè)器分別探測(cè)到5～11個(gè)中微子。有趣的是，這三個(gè)探測(cè)器是在SN1987A爆發(fā)的光線來(lái)到地球之前3小時(shí)偵測(cè)到的。對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)解釋為“中微子于超新星爆發(fā)時(shí)比可見(jiàn)光更早被發(fā)射出來(lái)，而不是中微子比光速快”。這個(gè)速度亦接近光速?，F(xiàn)在，對(duì)于擁有更高能量的中微子是否仍然符合標(biāo)準(zhǔn)模型有爭(zhēng)議，有人認(rèn)為，當(dāng)中微子違反了洛倫茲不變性而發(fā)生震蕩時(shí)，其速度有可能比光速要快。
2011年9月，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布觀測(cè)結(jié)果—中微子的移動(dòng)速度比光速還快。在這項(xiàng)對(duì)μ子中微子的研究中，他們發(fā)現(xiàn)，平均能級(jí)為17GeV的μ子中微子從CERN走到LNGS，所需時(shí)間比光子在真空移動(dòng)的速度還要快60.7納秒（1.0000248c），是實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差10納秒的6倍（比光速快6公里），其差異非常顯著。有說(shuō)法稱(chēng)，如果真有如此大的差異，那么從超新星飛來(lái)的中微子應(yīng)該早到數(shù)年而不是數(shù)小時(shí)。后來(lái)，格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室又宣布，是電腦光纖的接頭松動(dòng)造成了中微子超光速的假象，但同時(shí)存在另一個(gè)與GPS信號(hào)同步的振蕩器故障又可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果低估中微子的速度。2012年5月，由諾獎(jiǎng)得主卡洛·魯比亞領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)重新測(cè)量中微子速度，其結(jié)果并沒(méi)有超過(guò)光速。
宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸殘留的，每厘方大約為100個(gè)。以往以為中微子沒(méi)有質(zhì)量，永遠(yuǎn)以光速飛行。1998年，日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質(zhì)量。這一結(jié)果隨后得到了許多實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。中微子震蕩尚未完全研究清楚，它不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關(guān)，例如宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)很有可能是由中微子造成的。
電子中微子、μ中微子和τ中微子，分別對(duì)應(yīng)于電子、μ子和τ子。所有中微子都不帶電荷，不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，但參與弱相互作用和引力相互作用。它們質(zhì)量非常小，不帶電。太陽(yáng)、宇宙線、核電站、加速器等都能產(chǎn)生大量中微子。中微子與其它物質(zhì)的相互作用十分微弱，要探測(cè)它比較困難，被戲稱(chēng)為“鬼微子”。中微子有大量謎團(tuán)尚未解開(kāi)，它的質(zhì)量大小如何尚未直接測(cè)到，它的反粒子是否為同一種粒子，它的振蕩還有兩個(gè)參數(shù)未測(cè)到，這與宇宙中反物質(zhì)缺失之謎是否有關(guān)，它有沒(méi)有磁矩又意味著什么，等等。因此，對(duì)中微子的研究是粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球物理的交叉與熱點(diǎn)課題。
天體物理學(xué)研究恒星上可能發(fā)生的中微子過(guò)程以及這些過(guò)程對(duì)恒星的結(jié)構(gòu)和演化的作用，可以獲得來(lái)自恒星內(nèi)部的信息。太陽(yáng)的能源主要來(lái)自內(nèi)部的質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，由此產(chǎn)生大量的中微子。美國(guó)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的戴維斯等人用大體積四氯化碳作靶，利用37Cl俘獲中微子的反應(yīng)來(lái)探測(cè)太陽(yáng)的中微子發(fā)射率。實(shí)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒星演化理論的太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期值（太陽(yáng)中微子失蹤之迷），中微子震蕩可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。中微子大量地產(chǎn)生于超新星爆發(fā)或宇宙中其它物理過(guò)程。日本和美國(guó)用一個(gè)巨大的水容器來(lái)探測(cè)切連可夫輻射，從而探測(cè)到了來(lái)自超新星NS1987A的中微子輻射。歐共和俄國(guó)利用中微子和鎵的相互作用來(lái)探測(cè)中微子。
泡利的中微子假說(shuō)和費(fèi)米的β衰變理論雖然逐漸被人們接受，但也蒙上了一層迷霧—誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)到中微子。泡利也曾說(shuō)，中微子是永遠(yuǎn)測(cè)不到的。在電子俘獲試驗(yàn)證實(shí)了中微子的存在以后，進(jìn)一步的工作就是測(cè)量中微子與質(zhì)子相互作用引起的反應(yīng)，直接探測(cè)中微子。核反應(yīng)堆中有大量裂變碎片，它不僅是強(qiáng)大的中子源，也是一個(gè)強(qiáng)大的中微子源。因?yàn)橹形⒆臃磻?yīng)幾率很小，要求用大量的靶核。1956年美國(guó)萊因斯選用氫核（質(zhì)子）作靶核，使用了兩個(gè)裝有氯化鎘溶液的容器，夾在三個(gè)液體閃爍計(jì)數(shù)器中。這種閃爍液體是一種在射線下能發(fā)出熒光的液體，每來(lái)一個(gè)射線就發(fā)出一次熒光。中微子與構(gòu)成原子核的質(zhì)子碰撞時(shí)發(fā)出的明顯頻閃很有特異性，從而證實(shí)了中微子的存在。1962年又發(fā)現(xiàn)另一種反中微子，才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利認(rèn)為中微子永遠(yuǎn)觀測(cè)不到的預(yù)言。
電子中微子對(duì)應(yīng)電子，μ中微子對(duì)應(yīng)μ子，τ（念“濤”）中微子對(duì)應(yīng)τ子。電子與原子相互作用，將能量一下子釋放出來(lái)，會(huì)照亮一個(gè)接近球形的區(qū)域，即產(chǎn)生電子中微子；μ子不像電子那樣擅長(zhǎng)相互作用，它會(huì)在冰中穿行至少1千米，產(chǎn)生一個(gè)光錐，即產(chǎn)生μ中微子；τ子會(huì)迅速衰變，它的出現(xiàn)和消失會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)光球，被稱(chēng)為“雙爆”，這就是τ中微子。
為了研究中微子的性質(zhì)，各國(guó)建造了大量探測(cè)設(shè)施，比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測(cè)裝置、意大利的“宏觀”、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測(cè)設(shè)施以及美國(guó)在南極地區(qū)建造的中微子觀測(cè)裝置。
1994年，美國(guó)在南極冰原以下800米深處安裝輻射探測(cè)器，以觀測(cè)來(lái)自宇宙射線中的中微子。使用南極冰原作為探測(cè)器的安置場(chǎng)所，是因?yàn)楸划a(chǎn)生自然輻射，不會(huì)對(duì)探測(cè)效果產(chǎn)生影響。把探測(cè)器埋到深處，可以過(guò)濾掉宇宙中除了中微子之外的其它輻射。
宇宙中微子的產(chǎn)生有幾種方式。
①.原生于宇宙大爆炸，現(xiàn)在為溫度很低的宇宙背景中微子。
②.產(chǎn)生于超新星爆發(fā)等巨型天體活動(dòng)中的引力坍縮過(guò)程，由質(zhì)子和電子合并成中子而產(chǎn)生中微子。
③.在太陽(yáng)這一類(lèi)恒星上，由輕核反應(yīng)產(chǎn)生的十幾MeV以下的中微子。
④.高能宇宙線粒子在大氣層與介質(zhì)發(fā)生核反應(yīng)，先產(chǎn)生π、K介子，再衰變產(chǎn)生中微子（稱(chēng)大氣中微子）。
⑤.宇宙線中高能質(zhì)子與宇宙微波背景輻射的光子碰撞產(chǎn)生π介子（稱(chēng)光致π介子），π介子衰變產(chǎn)生高能中微子，它的能量極高。
⑥.宇宙線中的高能質(zhì)子打在星體云或星際介質(zhì)的原子核上引起核反應(yīng)生成介子，再衰變?yōu)橹形⒆印Ｖ凶有?/span>、脈沖星等星體上可以產(chǎn)生這種中微子。
⑦.地球上的物質(zhì)自發(fā)或誘發(fā)裂變的產(chǎn)物在β衰變中產(chǎn)生中微子，但這類(lèi)中微子是很少的。
中微子有無(wú)質(zhì)量一直困擾科學(xué)家們，因?yàn)殡娮拥淖畲竽芰颗c衰變時(shí)放出的總能量很接近，此時(shí)中微子帶走的能量就是它的靜止能量，只能是很小的。1998年6月，日本超級(jí)神岡中微子探測(cè)裝置獲得足夠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)說(shuō)明中微子具有靜止質(zhì)量。哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家謝爾登·格拉休指出：“這是最近幾十年來(lái)粒子物理領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一。”
超級(jí)神剛探測(cè)器主要研究太陽(yáng)中微子。到達(dá)地球的太陽(yáng)光熱輻射總功率大約是170萬(wàn)億千瓦，只占太陽(yáng)總輻射量的22億分之一。按照愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式，太陽(yáng)是靠核反應(yīng)輻射出巨大能量。太陽(yáng)的質(zhì)子聚變和其它一些輕核反應(yīng)不僅釋放出能量，而且發(fā)射出中微子?？茖W(xué)家們用電子學(xué)方法或者放射化學(xué)方法探測(cè)中微子。1968年，戴維斯發(fā)現(xiàn)探測(cè)到的太陽(yáng)中微子比標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的計(jì)算值少得多，當(dāng)初還無(wú)法解釋太陽(yáng)中微子的失蹤之謎。超級(jí)神岡在地下1千米深處（廢棄鋅礦坑）設(shè)置了一個(gè)裝5萬(wàn)噸水的巨大水池，周?chē)胖?/span>1.3萬(wàn)個(gè)光電倍增管探測(cè)器。當(dāng)中微子通過(guò)這個(gè)水槽時(shí)，由于水中氫原子核的數(shù)目極其巨大，兩者發(fā)生撞擊的幾率相當(dāng)高。碰撞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的光子被周?chē)墓怆姳对龉懿东@、放大，并通過(guò)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。
他們探測(cè)宇宙射線在地面上空20千米處與大氣粒子發(fā)生碰撞產(chǎn)生的μ中微子，535天的觀測(cè)捕獲了256個(gè)從大氣層進(jìn)入水槽的μ中微子，只有理論值的60%，而在由實(shí)驗(yàn)地背面的進(jìn)入觀測(cè)裝置的中微子有139個(gè)，只有理論值的一半。他們據(jù)此推斷，中微子在通過(guò)大氣和穿過(guò)地球時(shí)，一部分發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，即從一種形態(tài)轉(zhuǎn)為另一種，變?yōu)闄z測(cè)不到的τ中微子。根據(jù)量子物理的法則，粒子之間的相互轉(zhuǎn)化只有在其具有靜止質(zhì)量的情況下才有可能發(fā)生。其結(jié)論是中微子具有靜止質(zhì)量，其統(tǒng)計(jì)置信度達(dá)到99.99%以上，大約是電子質(zhì)量的一千萬(wàn)分之一，這也是中微子質(zhì)量的下限。
1942年，中國(guó)科學(xué)家王淦昌提出利用軌道電子俘獲檢測(cè)中微子，美國(guó)艾倫釆納這種方法證明了中微子的存在。1980年代，中國(guó)原子能科學(xué)研究院進(jìn)行了中微子靜止質(zhì)量的測(cè)量，證明電子反中微子的靜止質(zhì)量在30電子伏特以下。
中科院高能所領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)于2006年正式啟動(dòng)，聯(lián)合了國(guó)內(nèi)十多家研究所和大學(xué)，美國(guó)十多家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)，以及香港、臺(tái)灣、俄羅斯、捷克的研究機(jī)構(gòu)?？偼顿Y約3億元人民幣，2011年建成，在中微子研究中占據(jù)重要的國(guó)際地位。那些用于監(jiān)測(cè)罕見(jiàn)偶發(fā)事件的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造價(jià)昂貴，往往監(jiān)測(cè)數(shù)年而一無(wú)所獲。
科學(xué)家們預(yù)期，將來(lái)可開(kāi)放中微子通訊。由于中微子可以直透地球，且能量損耗很小，用高能加速器產(chǎn)生10億電子伏特的中微子在穿過(guò)地球后只衰減千分之一，再對(duì)中微子束加以調(diào)制，就可以使其包含有用信息，實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)間的通訊聯(lián)系。中微子地球斷層掃描（地層CT）也有可能，因?yàn)橹形⒆优c物質(zhì)相互作用截面隨中微子能量的提高而增加，用高能加速器產(chǎn)生能量為一萬(wàn)億電子伏以上的中微子束定向照射地層，與地層物質(zhì)作用可以產(chǎn)生局部小“地震”，類(lèi)似于地震法勘探，可對(duì)深層地層也進(jìn)行勘探。
中微子振蕩發(fā)現(xiàn)的前前后后
中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)證實(shí)中微子有質(zhì)量，它揭示了微觀世界一個(gè)全新的規(guī)律，對(duì)宇宙和天體的起源與演化也有重大影響。
1.太陽(yáng)的能量來(lái)源
科學(xué)家們長(zhǎng)久思考，太陽(yáng)的能量是哪里來(lái)的？它表面上的一點(diǎn)漣漪—太陽(yáng)黑子活動(dòng)也對(duì)我們的生活帶來(lái)明顯影響。幾百年前有人說(shuō)太陽(yáng)跟煤燃燒一樣，一百多年前有人說(shuō)是引力釋放的能量，直到幾十年前，科學(xué)家們?nèi)栽跔?zhēng)論這個(gè)問(wèn)題。20世紀(jì)初的近代物理學(xué)，英國(guó)的愛(ài)丁頓提出了更合理的假說(shuō)：太陽(yáng)的能量來(lái)自氫核聚變。接下來(lái)的20年，一個(gè)個(gè)的理論困難被解決，到1939年，德國(guó)科學(xué)家貝特等人提出了完整的機(jī)制：氫核通過(guò)質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳-氮-氧循環(huán)反應(yīng)，聚變成氦原子核，從而釋放出巨大的能量。
現(xiàn)在我們有了一個(gè)幾乎完美的答案，但是，得不到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論只能算是一種假說(shuō)。核聚變只能發(fā)生在太陽(yáng)核心很小的一片區(qū)域，那里的溫度和密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外層，才適合聚變反應(yīng)的發(fā)生。產(chǎn)生的熱能，要經(jīng)過(guò)10萬(wàn)年才能傳遞到太陽(yáng)表面，變成我們能感知的光和熱。要驗(yàn)證這個(gè)理論機(jī)制，似乎是一件無(wú)法完成的任務(wù)，就算是腳下的地球，至今也不能深入核心去探究。
中微子可以從太陽(yáng)核心穿出，告訴我們太陽(yáng)的秘密。1930年，奧地利科學(xué)家泡利為解釋核衰變中能量似乎不守恒的現(xiàn)象，預(yù)言了這樣一種“永遠(yuǎn)找不到”的粒子。26年后，科學(xué)家費(fèi)盡千辛在核反應(yīng)堆旁找到了中微子存在的證據(jù)。假如貝特的理論是正確的，我們可以根據(jù)太陽(yáng)釋放的能量，精確地計(jì)算出太陽(yáng)釋放出多少中微子以及它們的能量分布。計(jì)算結(jié)果讓人驚訝：盡管地球離太陽(yáng)1.5億千米，每一秒鐘依然有3億億個(gè)太陽(yáng)中微子穿過(guò)我們每個(gè)人的身體。
1968年，美國(guó)的戴維斯在一個(gè)廢舊金礦中觀測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)的中微子。他采用了615噸四氯乙烯作為探測(cè)器閃爍液。由于中微子幾乎不與物質(zhì)反應(yīng)，億萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)中微子可以毫發(fā)無(wú)損地穿過(guò)探測(cè)器。但偶爾也有例外，大約每4天會(huì)有一個(gè)中微子被捕獲，將一個(gè)氯原子變成放射性的氬原子。通過(guò)探測(cè)氬原子的放射性，戴維斯探測(cè)到了太陽(yáng)中微子，證實(shí)了愛(ài)丁頓和貝特關(guān)于太陽(yáng)能量來(lái)自氫核聚變的理論。戴維斯因此榮獲了2002年諾貝爾獎(jiǎng)。
2.太陽(yáng)中微子失蹤之謎
盡管戴維斯如愿找到了太陽(yáng)中微子，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大問(wèn)題：測(cè)到的中微子數(shù)僅有預(yù)期1/3。這被稱(chēng)為“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”。
是不是貝特的太陽(yáng)模型有問(wèn)題？事實(shí)上直到今天，人們?nèi)栽诟叩木壬戏磸?fù)檢驗(yàn)太陽(yáng)模型，比如最近發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)金屬豐度疑難。
也可能是戴維斯的實(shí)驗(yàn)測(cè)量不準(zhǔn)確。太陽(yáng)中微子在他的探測(cè)器中每4天產(chǎn)生一個(gè)氬氣原子，相對(duì)于615噸液體中來(lái)說(shuō)，這比渤海中的一根針還要少。他通過(guò)吹氮?dú)獾姆椒?，將這個(gè)原子撈出來(lái)。盡管他通過(guò)小的驗(yàn)證裝置說(shuō)明，90%以上的氬原子都能撈出來(lái)，也不能讓人信服，因?yàn)榧偃缢麑?shí)際上只撈出了30%，那就與理論一致了。戴維斯重復(fù)著這個(gè)實(shí)驗(yàn)，從上世紀(jì)70年代到90年代，做了整整30年，拿諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)88歲。幾十年間，其他科學(xué)家通過(guò)鎵俘獲、在水中散射等方法尋找太陽(yáng)中微子，大家確信，理論預(yù)測(cè)中的太陽(yáng)中微子確實(shí)大部分丟了。
對(duì)中微子丟失還有一種解釋?zhuān)褪侵形⒆影l(fā)生了振蕩，從一種中微子變成了其它中微子。太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子是電子中微子，而自然界還存在繆中微子和陶中微子。1957年，意大利物理學(xué)家龐蒂科夫提出了中微子振蕩的概念：假如中微子有質(zhì)量，而且不同中微子存在混合的話，中微子就能在飛行過(guò)程中自發(fā)變成另一種，還能變回來(lái)，像波一樣振蕩。由于探測(cè)器對(duì)繆中微子和陶中微子不靈敏，太陽(yáng)中微子振蕩成其它中微子之后，也就像是丟了一樣。
用中微子振蕩解釋太陽(yáng)中微子丟失看似合理，但一定量分析又不對(duì)。首先，雖然不同的實(shí)驗(yàn)都看到中微子減少了，但減少的程度卻不一樣，無(wú)法同時(shí)解釋這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其次，盡管不同地點(diǎn)產(chǎn)生的太陽(yáng)中微子處于振蕩的不同位置，但我們看到的應(yīng)該是平均效果，最多只會(huì)丟一半，而戴維斯看到的是丟了2/3。
3.大氣中微子反常
上世紀(jì)70年代末，日本小柴昌俊提出建實(shí)驗(yàn)室尋找質(zhì)子衰變。理論上質(zhì)子是穩(wěn)定的，假如存在更基本的大統(tǒng)一理論，質(zhì)子就會(huì)衰變。神岡實(shí)驗(yàn)于1982年開(kāi)建，1983年完工。但神岡實(shí)驗(yàn)沒(méi)有找到質(zhì)子衰變，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪現(xiàn)象：來(lái)自太空的高能宇宙線在地球大氣層中會(huì)產(chǎn)生大量中微子（稱(chēng)為大氣中微子），包括電子中微子、繆中微子以及他們的反粒子?？紤]到質(zhì)子衰變即使有也只會(huì)極其稀少，必須非常干凈地去掉各種假信號(hào)，因而需要準(zhǔn)確估算大氣中微子帶來(lái)的假信號(hào)。1988年，小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)到的中微子比預(yù)期少，被稱(chēng)為“大氣中微子反常”。
當(dāng)時(shí)，他們考慮到了是否是中微子振蕩現(xiàn)象？但沒(méi)有最終的定論。其原因是：①.預(yù)測(cè)大氣中微子的產(chǎn)額比較復(fù)雜，有可能計(jì)算不準(zhǔn)確。②.理論家們不相信（用中微子振蕩解釋大氣中微子反常，需要中微子的混合是最大值，這與在夸克中發(fā)現(xiàn)的小混合很不一樣）。③.同時(shí)進(jìn)行的還有法國(guó)和意大利的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們卻說(shuō)沒(méi)減少。非凡的發(fā)現(xiàn)需要非凡的證據(jù)，單薄證據(jù)不足以讓人相信中微子振蕩。
4.大氣中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)
在小柴昌俊退休前不久，銀河系的小兄弟大麥哲倫云內(nèi)有一顆恒星走到了生命的終點(diǎn)，它的“臨終”就是超新星爆發(fā)—SN1987A（光傳到地球上需要16.8萬(wàn)年）。它的光芒蓋過(guò)了整個(gè)星系，肉眼也可見(jiàn)到，這是400年來(lái)觀測(cè)到的最明亮的超新星。神岡實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了由它發(fā)出的11個(gè)中微子，證實(shí)了超新星爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生極其多的中微子。超新星演化理論認(rèn)為，它的爆發(fā)需要中微子助力才能發(fā)生。不過(guò)，同太陽(yáng)中微子一樣，還需要證據(jù)證實(shí)。小柴昌俊因“觀測(cè)到來(lái)自宇宙的中微子”，與戴維斯一起獲2002年諾貝爾獎(jiǎng)。
日本超級(jí)神岡探測(cè)器，主體是一個(gè)高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器
小柴昌俊的成果促使日本政府同意建造超級(jí)神岡。它采用了5萬(wàn)噸純凈水，13000個(gè)光電倍增管，是國(guó)際中微子研究當(dāng)之無(wú)愧的旗艦。1998年6月超級(jí)神岡在“國(guó)際中微子大會(huì)”上報(bào)告，以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩。他們測(cè)到了足夠的大氣中微子，顯示了它的丟失比例隨飛行距離的變化，而這是中微子振蕩的關(guān)鍵特征。
5.丟失的太陽(yáng)中微子找到了
在發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩3年后，阿瑟·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的加拿大薩德伯里實(shí)驗(yàn)宣布找到了失蹤的太陽(yáng)中微子，證實(shí)了太陽(yáng)中微子振蕩。
1985年，加州大學(xué)爾灣分校的華裔物理學(xué)家陳華森提出，采用重水同時(shí)探測(cè)三種中微子，可以知道太陽(yáng)中微子是否真的丟了，或是通過(guò)振蕩變成了其它中微子。以前的實(shí)驗(yàn)都只能探測(cè)一種中微子（P.S.氯俘獲、鎵俘獲只對(duì)電子中微子敏感，重水中的散射除電子中微子外，對(duì)另兩種中微子也有一定敏感性）。薩德伯里實(shí)驗(yàn)室建造在一個(gè)地下2100米的鎳礦井中，1999～2001年探測(cè)到了足夠的太陽(yáng)中微子，能證明電子中微子確實(shí)丟失，結(jié)果與以前的實(shí)驗(yàn)一致，但三種中微子的總數(shù)卻沒(méi)有變。
加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)
中微子振蕩的理論研究也有重大的突破。美國(guó)物理學(xué)家沃芬斯坦認(rèn)為，電子中微子在物質(zhì)中會(huì)受到電子的散射，將改變中微子的振蕩效應(yīng)。前蘇聯(lián)的米赫耶夫和斯米爾諾夫?qū)⑦@個(gè)想法用于解釋太陽(yáng)中微子，使人們意識(shí)到，以前認(rèn)為中微子在從太陽(yáng)飛到地球的過(guò)程中發(fā)生振蕩的看法是完全錯(cuò)誤的。對(duì)于能量比較高的中微子，振蕩是發(fā)生在太陽(yáng)系統(tǒng)內(nèi)，飛出太陽(yáng)后就不再振蕩了，這說(shuō)明太陽(yáng)中微子振蕩幾率可以超過(guò)一半。而能量比較低的太陽(yáng)中微子有所不同，它們飛離太陽(yáng)后還可以發(fā)生振蕩。這樣一來(lái)，就可以解釋不同實(shí)驗(yàn)看到不同的結(jié)果是“能量范圍不同”所致。至2002年，日本KamLAND實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)堆中微子證實(shí)了太陽(yáng)中微子振蕩模式，也就完全的證實(shí)了中微子振蕩。
6.宇宙反物質(zhì)消失之謎
物質(zhì)世界最基本的規(guī)律由粒子物理“標(biāo)準(zhǔn)模型”描述，它是實(shí)驗(yàn)證實(shí)、內(nèi)部統(tǒng)一的理論體系，相關(guān)研究先后獲得18次諾獎(jiǎng)。在這個(gè)理論中，中微子沒(méi)有質(zhì)量，中微子振蕩以確鑿證據(jù)被證明，這要求標(biāo)準(zhǔn)模型理論要作修改，或可能打開(kāi)一片新空間。
宇宙誕生時(shí)，正反物質(zhì)成對(duì)產(chǎn)生，但現(xiàn)在我們幾乎找不到反物質(zhì)的蹤影，這被稱(chēng)為“反物質(zhì)消失之謎”。中微子振蕩中出現(xiàn)一種被稱(chēng)為“CP破壞”的現(xiàn)象，導(dǎo)致正反物質(zhì)的行為不對(duì)稱(chēng)。是不是中微子振蕩導(dǎo)致了反物質(zhì)的消失，是宇宙起源必須解決的重大難題。
2012年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，為測(cè)量中微子質(zhì)量順序和“CP破壞”奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)采用2萬(wàn)噸液閃探測(cè)器，美國(guó)的加速器實(shí)驗(yàn)采用1～4萬(wàn)噸液氬探測(cè)器，印度采用5萬(wàn)噸鐵的INO實(shí)驗(yàn)，韓國(guó)1.8萬(wàn)噸液閃實(shí)驗(yàn)，美國(guó)在南極的PINGU實(shí)驗(yàn)，法國(guó)在地中海的ORCA實(shí)驗(yàn)，以及日本100萬(wàn)噸純凈水的超超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)。可以預(yù)期，未來(lái)的20年，將會(huì)有更多的中微子秘密包括暗物質(zhì)、反物質(zhì)之謎將被揭開(kāi)。
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