最鬼魅的粒子，還會變身，科學家因為它都想放棄能量守恆定律

幽靈粒子

在宇宙中存在着一種極為“特殊的基本粒子”，這種粒子曾經一度讓量子力學哥本哈根學派的領袖尼爾斯·波爾，想要放棄能量守恆定律，還讓科學家苦苦找尋了幾十年，如今依舊如同迷一樣的存在。更特別的是，每秒鐘大約有十萬億個這種粒子穿過我們的身體，但我們對此一無所知，正是因為這種神出鬼沒的特性，它有個著名的外號：幽靈粒子，它就是中微子。

自從上個世紀50年代起，科學家就試圖去構建一個粒子物理學標準模型，希望能夠將各種粒子、相互作用統一到一起，這也是目前最接近大一統理論的物理學理論。

在這套理論的最後一塊拼圖是希格斯玻色子，這是科學家在1964年預言的一種粒子，但直到2012年，歐洲核子研究中心才對外宣佈，已經確認尋找到了希格斯玻色子。

可是，尋找中微子之路更加坎坷，在19世紀末20世紀初，科學家發現了和中微子有關的奇怪現象，到了2000年，科學家才差不多把中微子找全，整個過程歷經了100餘年。對於中微子的深入研究，也直接讓科學家知道了許多宇宙的秘密，開啓了中微子天文學。那具體是咋回事呢？

今天，我們就來聊一聊這段曲折的“尋找中微子之路”。

預言“中微子”的存在

這要從20世紀初説起，當時有個著名的物理學家叫做盧瑟福，他做了一個著名的α粒子散射實驗，具體來説就是用α粒子轟擊金箔。通過這個實驗，他給出了一個全新的原子結構。

後來，他用類似的辦法，轟擊氮原子核，繼而發現了質子。在這次實驗中，盧瑟福預言中子的存在。

隨後，盧瑟福的徒弟查德威克又用同樣的辦法轟擊鈹，發現了中子。

自從查德威克發現了中子，海森堡提出了不確定性原理之後，科學家對於原子的結構有了一個比較清晰的認識。幾乎在同一時間，許多科學家在研究放射性物質。最為我們熟知的就是居里夫人。

其中，放射性物質中存在這一種β衰變，在這個過程中，一箇中子轉化為了一個電子，帶走了一部分的能量。實際上，我們現在知道，這個過程其實還產生了中微子，只不過當時的儀器並沒有檢測出來。於是，通過理論計算就會發現，有一部分能量不知道去哪了？這個過程最詭異的就是電荷是守恆的，但能量和動量都不守恆。

後來，就有了上文我們提到的，量子力學哥本哈根學派的波爾很崩潰的一幕，他開始質疑能量守恆定律不是真的適用於微觀世界。到了1931年，泡利在國際核物理會議就提出，能量守恆定律在微觀世界中依然應該適用。

只不過存在着一種中性的粒子，把能量都給帶走了，由於它質量太小，我們的儀器無法探測到它。泡利這樣的假設就可以讓電荷守恆不受到影響，同時滿足能量守恆定律和動量守恆定律。後來，楊振寧和李政道的老師恩里科·費米，就把泡利所説的這種中心粒子命名為“中微子”。

發現“中微子”

於是，科學家們開始思考如何找尋中微子，根據科學家當時的理論預言，中微子有兩個特點。

中微子的質量應該幾乎為0，甚至有一些科學家認為它的質量就是0，質量的上限是電子質量的百萬分之一。事實上，如今我們也知道，中微子的質量確實很小很小，我們現在的技術都沒有辦法把它的質量測準。中微子應該和暗物質粒子有點類似，不參與強相互作用和電磁相互作用，只有極其小的概率會發生弱相互作用。因此，中微子的穿透力很強。具體有多強呢？我們的人體每秒鐘都會穿過大量的中微子，但我們一無所知。按照理論預言，中微子在宇宙中傳播1光年的距離，只有50%的概率和這段距離上的物質發生作用。為了尋找中微子，科學家萊因斯和科萬設計了一個實驗。根據理論，他們知道核反應堆中的質子會和反中微子，最後產生正電子和中子。

反應產生的正電子遭遇電子就會滅。

這兩個過程都會產生γ射線，第一個反應還會留下一個中子。因此，他們就想，如果可以檢測到這兩個過程中的γ射線，並且能夠捕獲到中子，就可以確定反中微子的存在。

結果，他們還真的利用這種確認了中微子的存在，萊茵斯也因此在1995年獲得了諾貝爾物理學獎。

中微子振盪

雖然科學家確認了中微子的存在，但是中微子自始至終都像一個謎一樣。為什麼這麼説呢？

科學家在地下礦井中建立了許多的實驗室用來捕獲太陽中微子，比如：日本神岡中微子探測器。

科學家雷蒙特·戴維斯在1500米深的地下礦井中捕捉太陽中微子。但無論科學家如何調整設備，都只檢測到的中微子數量只有理論預言的1/3。

你可能要問了，為什麼他們如此確定太陽會釋放多少中微子？

實際上，科學家對於太陽內核的核反應機制已經非常的瞭解，他們發現，太陽每產生3個光子，就會伴隨着產生2箇中微子。

而太陽每秒鐘會損失420萬噸的質量，這些質量會以能量的形式傳播出來。通過理論計算，我們就可以知道，穿過地球的中微子有多少，儀器可以捕獲多少。

所以，沒有找到的剩餘的2/3的中微子到底哪裏去了？

這個問題一直困擾着科學界，很多科學家提出了各種假説和理論，但看起來都不是很靠譜。到了1987年2月23號，這天晚上足以載入史冊。日本神岡中微子探測器檢測到了12個高能中微子散射電子的事例，按照記錄來看，大概有1億億個中微子穿過了中微子探測器。不僅如此，世界各地的中微子探測器也檢測到了類似的情況。後來，科學家利用智利拉斯坎帕納斯天文台望遠鏡來觀測大麥哲倫雲，發現這裏發生了一起超新星大爆炸。

你可能要問，不就是一次超新星爆炸，有什麼好奇怪的？

這次反常的是，觀測到的中微子的數量和理論預期是相吻合的。所以，科學家就猜測，中微子應該不只有1種，而是應該有3種，而且這3種之間可以相互轉化，科學家把這種情況叫做中微子振盪。我們之前觀測到的只是其中一種，所以才只看到了理論預期的1/3。

但這些僅僅是猜測，只有真的把它們都找到才行。這三種中微子一直到了2000年，才被全部找到了，分別是電子中微子，μ子中微子和τ子中微子。

β衰變當中，伴隨着β射線（電子流）所產生的是電子中微子。因此，伴隨着μ子誕生的中微子就叫做μ中微子，伴隨着τ子誕生的中微子就叫做τ中微子。

到了2001，薩德伯裏中微子天文台SNO證實了失蹤的太陽中微子轉化成了其他種類的中微子，成為了證明中微子振盪的最後一塊拼圖。

而與中微子振盪研究相關的兩個實驗室的負責人，日本神岡中微子探測器的梶田隆章以及薩德伯裏中微子天文台的阿瑟·B·麥克唐納，在2015年因為發現中微子振盪而獲得了諾貝爾物理學獎。

中微子有什麼用？

中微子以及中微子振盪的發現，也使得粒子物理學標準模型，僅剩下希格斯玻色子這一塊拼圖。但是補齊中微子這塊，整整耗費了科學家一個世紀的時間。至今，我們還沒有辦法測準中微子的質量，它仍然是謎一樣的存在，因此，即使到了現在，中微子的研究依然是最前沿的。在世界上有許多超大規模的中微子探測實驗，其中包括中國、美國、日本等國的探測器，科學家甚至在南極建立了“冰立方”中微子實驗。這些都是為了能夠儘可能地瞭解中微子。

隨着科學家對於中微子的探索，天文學也出現了一個細分領域：中微子天文學。中微子天文學可以幫助我們，打開宇宙大爆炸到大爆炸之後38萬年的宇宙演化，還可以幫助科學家，完善超新星爆炸、中子星等天文學模型。所以，對於中微子的探索不僅僅是瞭解微觀世界，同時也是在幫助我們瞭解宇宙的奧秘。

關於中微子，我們就説到這裏。