一口气搞懂中微子的前世今生

　　幽灵粒子
　　在宇宙中存在着一种极为特殊的基本粒子，这种粒子曾经一度让量子力学哥本哈根学派的领袖尼尔斯波尔，想要放弃能量守恒定律，还让科学家苦苦找寻了几十年，如今依旧如同迷一样的存在。更特别的是，每秒钟大约有十万亿个这种粒子穿过我们的身体，但我们对此一无所知，正是因为这种神出鬼没的特性，它有个著名的外号：幽灵粒子，它就是中微子。
　　自从上个世纪50年代起，科学家就试图去构建一个粒子物理学标准模型，希望能够将各种粒子、相互作用统一到一起，这也是目前最接近大一统理论的物理学理论。
　　在这套理论的最后一块拼图是希格斯玻色子，这是科学家在1964年预言的一种粒子，但直到2012年，欧洲核子研究中心才对外宣布，已经确认寻找到了希格斯玻色子。
　　可是，寻找中微子之路更加坎坷，在19世纪末20世纪初，科学家发现了和中微子有关的奇怪现象，到了2000年，科学家才差不多把中微子找全，整个过程历经了100余年。对于中微子的深入研究，也直接让科学家知道了许多宇宙的秘密，开启了中微子天文学。那具体是咋回事呢？
　　今天，我们就来聊一聊这段曲折的寻找中微子之路。预言中微子的存在
　　这要从20世纪初说起，当时有个著名的物理学家叫做卢瑟福，他做了一个著名的粒子散射实验，具体来说就是用粒子轰击金箔。通过这个实验，他给出了一个全新的原子结构。
　　后来，他用类似的办法，轰击氮原子核，继而发现了质子。在这次实验中，卢瑟福预言中子的存在。
　　随后，卢瑟福的徒弟查德威克又用同样的办法轰击铍，发现了中子。
　　自从查德威克发现了中子，海森堡提出了不确定性原理之后，科学家对于原子的结构有了一个比较清晰的认识。几乎在同一时间，许多科学家在研究放射性物质。最为我们熟知的就是居里夫人。
　　其中，放射性物质中存在这一种衰变，在这个过程中，一个中子转化为了一个电子，带走了一部分的能量。实际上，我们现在知道，这个过程其实还产生了中微子，只不过当时的仪器并没有检测出来。于是，通过理论计算就会发现，有一部分能量不知道去哪了？这个过程最诡异的就是电荷是守恒的，但能量和动量都不守恒。
　　后来，就有了上文我们提到的，量子力学哥本哈根学派的波尔很崩溃的一幕，他开始质疑能量守恒定律不是真的适用于微观世界。到了1931年，泡利在国际核物理会议就提出，能量守恒定律在微观世界中依然应该适用。
　　只不过存在着一种中性的粒子，把能量都给带走了，由于它质量太小，我们的仪器无法探测到它。泡利这样的假设就可以让电荷守恒不受到影响，同时满足能量守恒定律和动量守恒定律。后来，杨振宁和李政道的老师恩里科费米，就把泡利所说的这种中心粒子命名为中微子。
　　发现中微子
　　于是，科学家们开始思考如何找寻中微子，根据科学家当时的理论预言，中微子有两个特点。中微子的质量应该几乎为0，甚至有一些科学家认为它的质量就是0，质量的上限是电子质量的百万分之一。事实上，如今我们也知道，中微子的质量确实很小很小，我们现在的技术都没有办法把它的质量测准。中微子应该和暗物质粒子有点类似，不参与强相互作用和电磁相互作用，只有极其小的概率会发生弱相互作用。因此，中微子的穿透力很强。具体有多强呢？我们的人体每秒钟都会穿过大量的中微子，但我们一无所知。按照理论预言，中微子在宇宙中传播1光年的距离，只有50的概率和这段距离上的物质发生作用。
　　为了寻找中微子，科学家莱因斯和科万设计了一个实验。根据理论，他们知道核反应堆中的质子会和反中微子，最后产生正电子和中子。
　　反应产生的正电子遭遇电子就会灭。
　　这两个过程都会产生射线，第一个反应还会留下一个中子。因此，他们就想，如果可以检测到这两个过程中的射线，并且能够捕获到中子，就可以确定反中微子的存在。
　　结果，他们还真的利用这种确认了中微子的存在，莱茵斯也因此在1995年获得了诺贝尔物理学奖。
　　中微子振荡
　　虽然科学家确认了中微子的存在，但是中微子自始至终都像一个谜一样。为什么这么说呢？
　　科学家在地下矿井中建立了许多的实验室用来捕获太阳中微子，比如：日本神冈中微子探测器。
　　科学家雷蒙特戴维斯在1500米深的地下矿井中捕捉太阳中微子。但无论科学家如何调整设备，都只检测到的中微子数量只有理论预言的13。
　　你可能要问了，为什么他们如此确定太阳会释放多少中微子？
　　实际上，科学家对于太阳内核的核反应机制已经非常的了解，他们发现，太阳每产生3个光子，就会伴随着产生2个中微子。
　　而太阳每秒钟会损失420万吨的质量，这些质量会以能量的形式传播出来。通过理论计算，我们就可以知道，穿过地球的中微子有多少，仪器可以捕获多少。
　　所以，没有找到的剩余的23的中微子到底哪里去了？
　　这个问题一直困扰着科学界，很多科学家提出了各种假说和理论，但看起来都不是很靠谱。到了1987年2月23号，这天晚上足以载入史册。日本神冈中微子探测器检测到了12个高能中微子散射电子的事例，按照记录来看，大概有1亿亿个中微子穿过了中微子探测器。不仅如此，世界各地的中微子探测器也检测到了类似的情况。后来，科学家利用智利拉斯坎帕纳斯天文台望远镜来观测大麦哲伦云，发现这里发生了一起超新星大爆炸。
　　你可能要问，不就是一次超新星爆炸，有什么好奇怪的？
　　这次反常的是，观测到的中微子的数量和理论预期是相吻合的。所以，科学家就猜测，中微子应该不只有1种，而是应该有3种，而且这3种之间可以相互转化，科学家把这种情况叫做中微子振荡。我们之前观测到的只是其中一种，所以才只看到了理论预期的13。
　　但这些仅仅是猜测，只有真的把它们都找到才行。这三种中微子一直到了2000年，才被全部找到了，分别是电子中微子，子中微子和子中微子。
　　衰变当中，伴随着射线（电子流）所产生的是电子中微子。因此，伴随着子诞生的中微子就叫做中微子，伴随着子诞生的中微子就叫做中微子。
　　到了2001，萨德伯里中微子天文台SNO证实了失踪的太阳中微子转化成了其他种类的中微子，成为了证明中微子振荡的最后一块拼图。
　　而与中微子振荡研究相关的两个实验室的负责人，日本神冈中微子探测器的梶田隆章以及萨德伯里中微子天文台的阿瑟B麦克唐纳，在2015年因为发现中微子振荡而获得了诺贝尔物理学奖。
　　中微子有什么用？
　　中微子以及中微子振荡的发现，也使得粒子物理学标准模型，仅剩下希格斯玻色子这一块拼图。但是补齐中微子这块，整整耗费了科学家一个世纪的时间。至今，我们还没有办法测准中微子的质量，它仍然是谜一样的存在，因此，即使到了现在，中微子的研究依然是最前沿的。在世界上有许多超大规模的中微子探测实验，其中包括中国、美国、日本等国的探测器，科学家甚至在南极建立了冰立方中微子实验。这些都是为了能够尽可能地了解中微子。
　　随着科学家对于中微子的探索，天文学也出现了一个细分领域：中微子天文学。中微子天文学可以帮助我们，打开宇宙大爆炸到大爆炸之后38万年的宇宙演化，还可以帮助科学家，完善超新星爆炸、中子星等天文学模型。所以，对于中微子的探索不仅仅是了解微观世界，同时也是在帮助我们了解宇宙的奥秘。
　　关于中微子，我们就说到这里。