三味中微子的首次发现【中微子合集5】

就像化学家喜欢在元素周期表中对元素进行逻辑分组一样，物理学家喜欢在我们所谓的标准模型中将相似的粒子集中在一起。其中一组是轻子，我们可信赖的中微子的家园。同样在轻子组中的是电子，以及两个相似但更重的粒子：μ子和τ子。

由于所有这些粒子都很微小，因此更重的想法可能非常抽象。但是如果我们把一个电子放大到有老鼠的质量，那么μ子就会像猫一样，而τ子会像袋鼠一样。作为最好的朋友，这三个轻子每个都有不同风味的中微子。事实上，中微子是它们带电伙伴的忠实粉丝，以至于它们呼应了它们的名字：所以我们有电子、μ子和τ中微子。这些好朋友经常被发现在一起快乐地通过粒子探测器中的电场。

当电子中微子与物质相互作用时，它们通常会产生电子。μ子中微子倾向于产生μ子，而τ中微子产生τ子。现代实验可以相当容易地识别电子和μ子，因此中微子的电子和μ子味道并不难研究。τ中微子要复杂得多，τ子比电子重 3000多倍，因此它需要更多的能量来创造。这意味着来自太阳、超新星甚至许多粒子加速器的大多数中微子都没有足够的能量来产生τ中微子。当一个高能τ中微子确实在我们的探测器中产生了一个τ子时，τ子往往移动得太慢，我们无法发现它。

为了充分了解中微子的怪异行为，我们想研究所有类型的中微子。在1960 年，物理学家知道中微子的存在，但大多数人认为中微子只有一种。但是有两位理论物理学家T. D. Lee 和 C. N. Yang 指出，如果只有一种中微子，你会期望观察到一种特殊的粒子衰变，但如果存在更多类型的中微子，我们就不会期望观察到它。事实证明，并没有观察到特定的粒子衰变，因此这证明可能存在不止一种类型的中微子。

因此三位物理学家梅尔文·施瓦茨、杰克·斯坦伯格和莱昂·莱德曼决定建立一个实验来研究这个问题。所以他们在美国布鲁克海文国家实验室建立了这个实验，并将一束中微子发送到一个探测器，看看它是否产生了电子和μ子。如果产生了μ子，那么这将表明存在第二种类型的中微子，即μ子中微子。实验结果就是他们所预想的那样，后来他们在1988年获得了诺贝尔奖，因为他们发现了μ介子中微子，而且还因为他们发明了为他们的实验制造中微子束的方法。

随着μ子中微子的发现，科学家们开始寻找τ中微子。在 1975 年，美国SLAC国家加速器实验中心的科学家们发现了τ子。因此，他们知道可能存在第三种相应类型的中微子。所以在 1997 年，费米实验室进行了一项名为DONUT的实验，旨在开始研究这个问题。他们收集了接下来三年的数据，他们在那段时间观察了数百万次相互作用，最终在2000年他们收集到足够的数据，这足以说明他们直接观察到τ中微子。