中 微 子
中微子属轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。它不带电，自旋为1/2，质量非常轻（有的小于电子的百万分之一），以接近光速运动。中微子个头小，可自由穿过地球，与其他物质的相互作用十分微弱，被称为宇宙间的“隐身人”。2013年11月23日，在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。
中微子是在19～20世纪之交对放射性的研究中被发现的。在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱不连续，原子核中放出的α射线和γ射线也不连续。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，符合量子的行为规律。奇怪的是，在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了总能量的一部分，还有一部分能量失踪了。尼尔斯.玻尔据此认为，β衰变过程中能量守恒定律失效。
1930年，奥地利物理学家泡利认为，在β衰变过程中，除了电子之外，应该还有一种静质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值，能量守恒仍然成立，只是未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。这种未知粒子在1932年由意大利物理学家费米命名为“中微子”。
1933年费米指出，自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用—弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律，β能谱连续之谜终于被解开了。
1956年，美国物理学家柯万和莱因斯等人第一次通过实验直接探测到了中微子。他们的实验实际上是探测核反应堆β衰变发射的电子和反中微子，在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号，从而实现了对中微子的观测。
1962年，美国莱德曼，舒瓦茨，斯坦伯格发现第二种中微子—μ中微子。
1968年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪。
1985年，日本神岗实验和美国IMB实验发现大气中微子反常现象。
1987年，日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。
1989年，欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子。
1995年，美国LSND实验发现可能存在第四种中微子——惰性中微子。
1998年，日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象。
2000年，美国费米实验室发现第三种中微子，τ中微子。
2001年，加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。2002年，日本KamLAND实验用反应堆证实太阳中微子振荡。
2003年，日本K2K实验用加速器证实大气中微子振荡。
2006年，美国MINOS实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。
2007年，美国费米实验室MiniBooNE实验否定了LSND实验的结果。
粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有12种，它包括6种夸克和对应的反夸克（上、下、奇、粲、底、顶，每种夸克有3种色，都有对应的反夸克），3种带电轻子（电子、μ子和τ子）和3种中微子（电子中微子，μ中微子和τ中微子）而每一种中微子都有与其相对应的反物质。
中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，它与其它物质的相互作用十分微弱，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。
粒子间的各种弱相互作用都产生中微子，而弱相互作用速度缓慢造成恒星系统内“质子-质子”反应的主要障碍（这也解释了为什么中微子能轻易的穿过普通物质而不发生反应）。太阳内部的弱相互作用参与核反应，每秒钟可产生1038个中微子流向太空。相对我们每个人而言，每秒钟有1011个太阳中微子穿过身体，即使在夜晚也一样。
由于中微子与其它物质的相互作用极小，中微子的探测器必须够大，以求能观测到足够数量的中微子。为了隔绝宇宙射线及其它可能的背景干扰，中微子的探测仪器一般设立在地底下。美国位于南极站的“冰立方天文台”是世界上最大的中微子探测器。2013年11月21日，多国研究人员在《科学》杂志上称，他们利用埋在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。
在基本粒子标准模型中，中微子的质量被假设为零，所以中微子都以光速运行。然而，最近几年对中微子震荡的确认已说明中微子的质量虽小，却不为零，因此中微子的运行速度自然要小于光速。
首次对中微子测速是在1980年代，通过从脉冲质子束射击而产生的脉冲π介子束来测量中微子的速度。当带电的π介子衰变时，会产生μ子及μ子中微子（或反）、电子中微子（或反）。通过长基线的设计，由远距的加速器以此种衰变方式产生中微子，在削减外因干扰的背景下（例如地壳屏蔽）来进行中微子震荡的研究。通过检测加速器产生粒子与中微子出现在侦测器的时间差，就可测量出中微子的速度。当初测量的结果显示，中微子的速度是光速，与假设相符。后来，这个实验在其它地方重复，测量中微子改用MINOS侦测器，测出了一个能量为3GeV的中微子的速度达1.000051c。由于这个速度的中间值比光速还要快，当时被认为是实验的不确定性太大（这个实验设定50MeV为μ子中微子的质量上限）。实际上，中微子的速度应该不可能超过光速。
天文学家观测超新星SN1987A的中微子爆发，世界各地有三台中微子探测器分别探测到5～11个中微子。有趣的是，这三个探测器是在SN1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。对于这个现象，当时解释为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快”。这个速度亦接近光速。现在，对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型有争议，有人认为，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡时，其速度有可能比光速要快。
2011年9月，意大利格兰萨索国家实验室宣布观测结果—中微子的移动速度比光速还快。在这项对μ子中微子的研究中，他们发现，平均能级为17GeV的μ子中微子从CERN走到LNGS，所需时间比光子在真空移动的速度还要快60.7纳秒（1.0000248c），是实验的标准差10纳秒的6倍（比光速快6公里），其差异非常显著。有说法称，如果真有如此大的差异，那么从超新星飞来的中微子应该早到数年而不是数小时。后来，格兰萨索实验室又宣布，是电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象，但同时存在另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度。2012年5月，由诺奖得主卡洛·鲁比亚领导的团队重新测量中微子速度，其结果并没有超过光速。
宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸残留的，每厘方大约为100个。以往以为中微子没有质量，永远以光速飞行。1998年，日本超级神冈实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。这一结果随后得到了许多实验的证实。中微子震荡尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的规律中起重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成的。
电子中微子、μ中微子和τ中微子，分别对应于电子、μ子和τ子。所有中微子都不带电荷，不参与电磁相互作用和强相互作用，但参与弱相互作用和引力相互作用。它们质量非常小，不带电。太阳、宇宙线、核电站、加速器等都能产生大量中微子。中微子与其它物质的相互作用十分微弱，要探测它比较困难，被戏称为“鬼微子”。中微子有大量谜团尚未解开，它的质量大小如何尚未直接测到，它的反粒子是否为同一种粒子，它的振荡还有两个参数未测到，这与宇宙中反物质缺失之谜是否有关，它有没有磁矩又意味着什么，等等。因此，对中微子的研究是粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点课题。
天体物理学研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的作用，可以获得来自恒星内部的信息。太阳的能源主要来自内部的质子-质子反应，由此产生大量的中微子。美国布鲁克海文实验室的戴维斯等人用大体积四氯化碳作靶，利用37Cl俘获中微子的反应来探测太阳的中微子发射率。实测结果远远小于恒星演化理论的太阳标准模型的预期值（太阳中微子失踪之迷），中微子震荡可以很好的解决这个问题。中微子大量地产生于超新星爆发或宇宙中其它物理过程。日本和美国用一个巨大的水容器来探测切连可夫辐射，从而探测到了来自超新星NS1987A的中微子辐射。欧共和俄国利用中微子和镓的相互作用来探测中微子。
泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但也蒙上了一层迷雾—谁也没有见到中微子。泡利也曾说，中微子是永远测不到的。在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与质子相互作用引起的反应，直接探测中微子。核反应堆中有大量裂变碎片，它不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源。因为中微子反应几率很小，要求用大量的靶核。1956年美国莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了两个装有氯化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光。中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。1962年又发现另一种反中微子，才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利认为中微子永远观测不到的预言。
电子中微子对应电子，μ中微子对应μ子，τ（念“涛”）中微子对应τ子。电子与原子相互作用，将能量一下子释放出来，会照亮一个接近球形的区域，即产生电子中微子；μ子不像电子那样擅长相互作用，它会在冰中穿行至少1千米，产生一个光锥，即产生μ中微子；τ子会迅速衰变，它的出现和消失会产生两个光球，被称为“双爆”，这就是τ中微子。
为了研究中微子的性质，各国建造了大量探测设施，比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、意大利的“宏观”、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。
1994年，美国在南极冰原以下800米深处安装辐射探测器，以观测来自宇宙射线中的中微子。使用南极冰原作为探测器的安置场所，是因为冰不产生自然辐射，不会对探测效果产生影响。把探测器埋到深处，可以过滤掉宇宙中除了中微子之外的其它辐射。
宇宙中微子的产生有几种方式。
①.原生于宇宙大爆炸，现在为温度很低的宇宙背景中微子。
②.产生于超新星爆发等巨型天体活动中的引力坍缩过程，由质子和电子合并成中子而产生中微子。
③.在太阳这一类恒星上，由轻核反应产生的十几MeV以下的中微子。
④.高能宇宙线粒子在大气层与介质发生核反应，先产生π、K介子，再衰变产生中微子（称大气中微子）。
⑤.宇宙线中高能质子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞产生π介子（称光致π介子），π介子衰变产生高能中微子，它的能量极高。
⑥.宇宙线中的高能质子打在星体云或星际介质的原子核上引起核反应生成介子，再衰变为中微子。中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中微子。
⑦.地球上的物质自发或诱发裂变的产物在β衰变中产生中微子，但这类中微子是很少的。
中微子有无质量一直困扰科学家们，因为电子的最大能量与衰变时放出的总能量很接近，此时中微子带走的能量就是它的静止能量，只能是很小的。1998年6月，日本超级神冈中微子探测装置获得足够的实验证据说明中微子具有静止质量。哈佛大学理论物理学家谢尔登·格拉休指出：“这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。”
超级神刚探测器主要研究太阳中微子。到达地球的太阳光热辐射总功率大约是170万亿千瓦，只占太阳总辐射量的22亿分之一。按照爱因斯坦的质能关系式，太阳是靠核反应辐射出巨大能量。太阳的质子聚变和其它一些轻核反应不仅释放出能量，而且发射出中微子。科学家们用电子学方法或者放射化学方法探测中微子。1968年，戴维斯发现探测到的太阳中微子比标准太阳模型的计算值少得多，当初还无法解释太阳中微子的失踪之谜。超级神冈在地下1千米深处（废弃锌矿坑）设置了一个装5万吨水的巨大水池，周围放置1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，由于水中氢原子核的数目极其巨大，两者发生撞击的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机。
他们探测宇宙射线在地面上空20千米处与大气粒子发生碰撞产生的μ中微子，535天的观测捕获了256个从大气层进入水槽的μ中微子，只有理论值的60%，而在由实验地背面的进入观测装置的中微子有139个，只有理论值的一半。他们据此推断，中微子在通过大气和穿过地球时，一部分发生了振荡现象，即从一种形态转为另一种，变为检测不到的τ中微子。根据量子物理的法则，粒子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。其结论是中微子具有静止质量，其统计置信度达到99.99%以上，大约是电子质量的一千万分之一，这也是中微子质量的下限。
1942年，中国科学家王淦昌提出利用轨道电子俘获检测中微子，美国艾伦釆纳这种方法证明了中微子的存在。1980年代，中国原子能科学研究院进行了中微子静止质量的测量，证明电子反中微子的静止质量在30电子伏特以下。
中科院高能所领导的大亚湾反应堆中微子实验于2006年正式启动，联合了国内十多家研究所和大学，美国十多家国家实验室和大学，以及香港、台湾、俄罗斯、捷克的研究机构。总投资约3亿元人民币，2011年建成，在中微子研究中占据重要的国际地位。那些用于监测罕见偶发事件的监测系统造价昂贵，往往监测数年而一无所获。
科学家们预期，将来可开放中微子通讯。由于中微子可以直透地球，且能量损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子在穿过地球后只衰减千分之一，再对中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，实现地球上任意两点间的通讯联系。中微子地球断层扫描（地层CT）也有可能，因为中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加，用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层，与地层物质作用可以产生局部小“地震”，类似于地震法勘探，可对深层地层也进行勘探。
中微子振荡发现的前前后后
中微子振荡的发现证实中微子有质量，它揭示了微观世界一个全新的规律，对宇宙和天体的起源与演化也有重大影响。
1.太阳的能量来源
科学家们长久思考，太阳的能量是哪里来的？它表面上的一点涟漪—太阳黑子活动也对我们的生活带来明显影响。几百年前有人说太阳跟煤燃烧一样，一百多年前有人说是引力释放的能量，直到几十年前，科学家们仍在争论这个问题。20世纪初的近代物理学，英国的爱丁顿提出了更合理的假说：太阳的能量来自氢核聚变。接下来的20年，一个个的理论困难被解决，到1939年，德国科学家贝特等人提出了完整的机制：氢核通过质子-质子链反应和碳-氮-氧循环反应，聚变成氦原子核，从而释放出巨大的能量。
现在我们有了一个几乎完美的答案，但是，得不到实验检验的理论只能算是一种假说。核聚变只能发生在太阳核心很小的一片区域，那里的温度和密度远远高于外层，才适合聚变反应的发生。产生的热能，要经过10万年才能传递到太阳表面，变成我们能感知的光和热。要验证这个理论机制，似乎是一件无法完成的任务，就算是脚下的地球，至今也不能深入核心去探究。
中微子可以从太阳核心穿出，告诉我们太阳的秘密。1930年，奥地利科学家泡利为解释核衰变中能量似乎不守恒的现象，预言了这样一种“永远找不到”的粒子。26年后，科学家费尽千辛在核反应堆旁找到了中微子存在的证据。假如贝特的理论是正确的，我们可以根据太阳释放的能量，精确地计算出太阳释放出多少中微子以及它们的能量分布。计算结果让人惊讶：尽管地球离太阳1.5亿千米，每一秒钟依然有3亿亿个太阳中微子穿过我们每个人的身体。
1968年，美国的戴维斯在一个废旧金矿中观测到了来自太阳的中微子。他采用了615吨四氯乙烯作为探测器闪烁液。由于中微子几乎不与物质反应，亿万个太阳中微子可以毫发无损地穿过探测器。但偶尔也有例外，大约每4天会有一个中微子被捕获，将一个氯原子变成放射性的氩原子。通过探测氩原子的放射性，戴维斯探测到了太阳中微子，证实了爱丁顿和贝特关于太阳能量来自氢核聚变的理论。戴维斯因此荣获了2002年诺贝尔奖。
2.太阳中微子失踪之谜
尽管戴维斯如愿找到了太阳中微子，却发现了一个大问题：测到的中微子数仅有预期1/3。这被称为“太阳中微子失踪之谜”。
是不是贝特的太阳模型有问题？事实上直到今天，人们仍在更高的精度上反复检验太阳模型，比如最近发现的太阳金属丰度疑难。
也可能是戴维斯的实验测量不准确。太阳中微子在他的探测器中每4天产生一个氩气原子，相对于615吨液体中来说，这比渤海中的一根针还要少。他通过吹氮气的方法，将这个原子捞出来。尽管他通过小的验证装置说明，90%以上的氩原子都能捞出来，也不能让人信服，因为假如他实际上只捞出了30%，那就与理论一致了。戴维斯重复着这个实验，从上世纪70年代到90年代，做了整整30年，拿诺贝尔奖时已经88岁。几十年间，其他科学家通过镓俘获、在水中散射等方法寻找太阳中微子，大家确信，理论预测中的太阳中微子确实大部分丢了。
对中微子丢失还有一种解释，就是中微子发生了振荡，从一种中微子变成了其它中微子。太阳产生的中微子是电子中微子，而自然界还存在缪中微子和陶中微子。1957年，意大利物理学家庞蒂科夫提出了中微子振荡的概念：假如中微子有质量，而且不同中微子存在混合的话，中微子就能在飞行过程中自发变成另一种，还能变回来，像波一样振荡。由于探测器对缪中微子和陶中微子不灵敏，太阳中微子振荡成其它中微子之后，也就像是丢了一样。
用中微子振荡解释太阳中微子丢失看似合理，但一定量分析又不对。首先，虽然不同的实验都看到中微子减少了，但减少的程度却不一样，无法同时解释这些实验结果。其次，尽管不同地点产生的太阳中微子处于振荡的不同位置，但我们看到的应该是平均效果，最多只会丢一半，而戴维斯看到的是丢了2/3。
3.大气中微子反常
上世纪70年代末，日本小柴昌俊提出建实验室寻找质子衰变。理论上质子是稳定的，假如存在更基本的大统一理论，质子就会衰变。神冈实验于1982年开建，1983年完工。但神冈实验没有找到质子衰变，却发现了一个奇怪现象：来自太空的高能宇宙线在地球大气层中会产生大量中微子（称为大气中微子），包括电子中微子、缪中微子以及他们的反粒子。考虑到质子衰变即使有也只会极其稀少，必须非常干净地去掉各种假信号，因而需要准确估算大气中微子带来的假信号。1988年，小柴昌俊的学生梶田隆章在分析数据时发现，测到的中微子比预期少，被称为“大气中微子反常”。
当时，他们考虑到了是否是中微子振荡现象？但没有最终的定论。其原因是：①.预测大气中微子的产额比较复杂，有可能计算不准确。②.理论家们不相信（用中微子振荡解释大气中微子反常，需要中微子的混合是最大值，这与在夸克中发现的小混合很不一样）。③.同时进行的还有法国和意大利的两个实验，他们却说没减少。非凡的发现需要非凡的证据，单薄证据不足以让人相信中微子振荡。
4.大气中微子振荡的发现
在小柴昌俊退休前不久，银河系的小兄弟大麦哲伦云内有一颗恒星走到了生命的终点，它的“临终”就是超新星爆发—SN1987A（光传到地球上需要16.8万年）。它的光芒盖过了整个星系，肉眼也可见到，这是400年来观测到的最明亮的超新星。神冈实验观测到了由它发出的11个中微子，证实了超新星爆发会产生极其多的中微子。超新星演化理论认为，它的爆发需要中微子助力才能发生。不过，同太阳中微子一样，还需要证据证实。小柴昌俊因“观测到来自宇宙的中微子”，与戴维斯一起获2002年诺贝尔奖。
日本超级神冈探测器，主体是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器
小柴昌俊的成果促使日本政府同意建造超级神冈。它采用了5万吨纯净水，13000个光电倍增管，是国际中微子研究当之无愧的旗舰。1998年6月超级神冈在“国际中微子大会”上报告，以确凿的证据发现了大气中微子振荡。他们测到了足够的大气中微子，显示了它的丢失比例随飞行距离的变化，而这是中微子振荡的关键特征。
5.丟失的太阳中微子找到了
在发现大气中微子振荡3年后，阿瑟·麦克唐纳领导的加拿大萨德伯里实验宣布找到了失踪的太阳中微子，证实了太阳中微子振荡。
1985年，加州大学尔湾分校的华裔物理学家陈华森提出，采用重水同时探测三种中微子，可以知道太阳中微子是否真的丢了，或是通过振荡变成了其它中微子。以前的实验都只能探测一种中微子（P.S.氯俘获、镓俘获只对电子中微子敏感，重水中的散射除电子中微子外，对另两种中微子也有一定敏感性）。萨德伯里实验室建造在一个地下2100米的镍矿井中，1999～2001年探测到了足够的太阳中微子，能证明电子中微子确实丢失，结果与以前的实验一致，但三种中微子的总数却没有变。
加拿大萨德伯里中微子实验
中微子振荡的理论研究也有重大的突破。美国物理学家沃芬斯坦认为，电子中微子在物质中会受到电子的散射，将改变中微子的振荡效应。前苏联的米赫耶夫和斯米尔诺夫将这个想法用于解释太阳中微子，使人们意识到，以前认为中微子在从太阳飞到地球的过程中发生振荡的看法是完全错误的。对于能量比较高的中微子，振荡是发生在太阳系统内，飞出太阳后就不再振荡了，这说明太阳中微子振荡几率可以超过一半。而能量比较低的太阳中微子有所不同，它们飞离太阳后还可以发生振荡。这样一来，就可以解释不同实验看到不同的结果是“能量范围不同”所致。至2002年，日本KamLAND实验用反应堆中微子证实了太阳中微子振荡模式，也就完全的证实了中微子振荡。
6.宇宙反物质消失之谜
物质世界最基本的规律由粒子物理“标准模型”描述，它是实验证实、内部统一的理论体系，相关研究先后获得18次诺奖。在这个理论中，中微子没有质量，中微子振荡以确凿证据被证明，这要求标准模型理论要作修改，或可能打开一片新空间。
宇宙诞生时，正反物质成对产生，但现在我们几乎找不到反物质的踪影，这被称为“反物质消失之谜”。中微子振荡中出现一种被称为“CP破坏”的现象，导致正反物质的行为不对称。是不是中微子振荡导致了反物质的消失，是宇宙起源必须解决的重大难题。
2012年，大亚湾中微子实验发现了中微子的第三种振荡模式，为测量中微子质量顺序和“CP破坏”奠定了基础。现在江门中微子实验采用2万吨液闪探测器，美国的加速器实验采用1～4万吨液氩探测器，印度采用5万吨铁的INO实验，韩国1.8万吨液闪实验，美国在南极的PINGU实验，法国在地中海的ORCA实验，以及日本100万吨纯净水的超超级神冈实验。可以预期，未来的20年，将会有更多的中微子秘密包括暗物质、反物质之谜将被揭开。
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