科普中國(guó)-中微子

中微子是一種電中性的基本粒子，通過(guò)弱相互作用和引力與其它物質(zhì)發(fā)生相互作用，其中弱相互作用力程很短。中微子質(zhì)量極小，歷史上很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人們認(rèn)為中微子質(zhì)量為零。由于中微子的上述性質(zhì)，中微子與其它物質(zhì)的相互作用很小，通?？梢詭缀醪皇茏璧K地通過(guò)正常物質(zhì)，因此很難被檢測(cè)到。中微子是費(fèi)米子，自旋是1/2。到目前為止，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)表明中微子具有非零磁矩。中微子通常用希臘字母ν表示。

弱相互作用中產(chǎn)生的中微子有三種不同的味，分別是：電子中微子νe、μ子中微子νμ、τ子中微子ντ。在帶電流反應(yīng)中，每種味的中微子都與名字中對(duì)應(yīng)味的帶電輕子是關(guān)聯(lián)出現(xiàn)的?，F(xiàn)有粒子理論中，中微子有三個(gè)不同的質(zhì)量本征態(tài)，具有特定味的中微子是三種質(zhì)量對(duì)應(yīng)量子態(tài)的線性疊加，中微子會(huì)在不同的味之間震蕩。截至2024年，中微子的三個(gè)質(zhì)量本征值目前為止尚不清楚，但是通過(guò)粒子實(shí)驗(yàn)和宇宙學(xué)觀測(cè)得到了三個(gè)質(zhì)量本征值平方差的上限1”。

每種味的中微子都存在其反粒子，被稱為各自的反中微子，自旋是1/2且沒(méi)有電荷。中微子和反中微子有符號(hào)相反的手性和弱同位旋

研究歷史

泡利的猜想

（1）

費(fèi)米寫(xiě)于1934年的論文將泡利的中微子的猜想與保羅·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)的狄拉克場(chǎng)和維爾納·海森堡(Werner Karl Heisenberg, ?v??n? ka?l ?ha?zn?b??k)的中子-質(zhì)子模型統(tǒng)一起來(lái)，為未來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)3。

直接探測(cè)

1942年，王淦昌首次提出了使用反貝塔衰變捕獲來(lái)探測(cè)中微子4。1956年，小克萊德·洛林·考恩(Clyde Lorrain Cowan)弗雷德里克·賴因斯(Frederick Reines)等人發(fā)表了他們探測(cè)到中微子的實(shí)驗(yàn)5，這項(xiàng)工作獲得了1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在發(fā)現(xiàn)中微子的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生β衰變的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子與質(zhì)子反應(yīng)產(chǎn)生中子和正電子 （2）

其中正電子很快就會(huì)和電子相互湮滅，產(chǎn)生可以觀測(cè)的γ射線。中子會(huì)被特定的原子核捕獲，并釋放射線。

1965年2月，包括Frederick Reines在內(nèi)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在南非博克斯堡附近的東蘭德金礦3km深處的腔室中發(fā)現(xiàn)了自然界中的中微子，這是人類首次在自然界中發(fā)現(xiàn)中微子6。

中微子的味

克萊德·考恩和弗雷德里克·賴因斯發(fā)現(xiàn)的中微子是電子中微子的反粒子。1962年，萊昂·馬克思·萊德曼(Leon Max Lederman)、梅爾文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)通過(guò)檢測(cè)中微子的相互作用，證明了不止存在一種類型的中微子7，這個(gè)成果獲得了1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1975年，斯坦福線性加速器中心發(fā)現(xiàn)第三種輕子子時(shí)，人們也預(yù)計(jì)它也有一個(gè)相關(guān)的中微子。2000年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布檢測(cè)到了中微子的相互作用8。

太陽(yáng)中微子問(wèn)題

在20世紀(jì)60年代，霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)首次測(cè)量了來(lái)自太陽(yáng)核心的電子中微子的通量，得到了一個(gè)介于標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型所預(yù)測(cè)的通量的三分之一到一半的結(jié)果，這被稱為太陽(yáng)中微子問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在其后三十多年的時(shí)間內(nèi)一直沒(méi)有得到解決。科學(xué)家們猜測(cè)，三種中微子的質(zhì)量不為零且不相等，因此飛向地球的時(shí)候會(huì)振蕩成無(wú)法被探測(cè)到的味，這開(kāi)辟了對(duì)中微子振蕩的研究。

中微子振蕩

1957年，布魯諾·龐特科沃(ponte?k?rvo,Bruno Pontecorvo)類比Κ介子振蕩，提出了一種研究中微子振蕩的實(shí)驗(yàn)方法。在之后的十年里，他發(fā)展了中微子振蕩的理論。1985年，斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫(Станисла?в Па?влович Михе?ев)和阿列克謝·斯米爾諾夫(Алексе?й Ю?рьевич Cмирно?в)指出，當(dāng)中微子在物質(zhì)中傳播時(shí)，味振蕩可以被改變，這就是著名的MSW效應(yīng)。這對(duì)于理解太陽(yáng)中微子問(wèn)題非常重要，因?yàn)樘?yáng)核聚變發(fā)射的中微子到達(dá)地球前會(huì)穿過(guò)太陽(yáng)核心中的致密物質(zhì)

2001年，超級(jí)神岡探測(cè)器合作組發(fā)表了他們對(duì)于太陽(yáng)中微子問(wèn)題的結(jié)果9。超級(jí)神岡探測(cè)器用水作為探測(cè)手段，因此對(duì)三種味的中微子都能很精確的探測(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的時(shí)彈性中微子-電子散射

（3）

出射的電子在水中放出切倫科夫輻射，從而可以被探測(cè)到。中微子探測(cè)器對(duì)電子中微子的探測(cè)效率是其它兩種中微子的6.5倍多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，電子中微子的數(shù)目是45％，這解釋了太陽(yáng)中微子問(wèn)題。與此同時(shí)，薩德伯里中微子天文臺(tái)也在進(jìn)行著相似的實(shí)驗(yàn)，他們給出的數(shù)值是35％。

近現(xiàn)代研究

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。日本梶田隆章獲2015年諾貝爾獎(jiǎng)。1998年以后，一系列令人信服的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)表明中微子具有微小的靜止質(zhì)量，而且輕子的味混合效應(yīng)很大。這是唯一具有堅(jiān)實(shí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)、超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。攜帶微小質(zhì)量的中微子既可以是狄拉克粒子，也可能是馬約拉納粒子，后者的反粒子即其自身。倘若中微子的確是馬約拉納粒子，則無(wú)中微子的雙β衰變就能夠發(fā)生，但實(shí)驗(yàn)上尚未觀測(cè)到這類輕子數(shù)破壞的稀有過(guò)程。

2000年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布τ中微子存在這一重大成果。

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。最早提出建設(shè)思路的是華裔物理學(xué)家陳華生博士Herbert H. Chen（美國(guó)普林斯頓大學(xué)理論物理博士學(xué)位，加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)家）。加拿大阿瑟·麥克唐納獲2015年諾貝爾獎(jiǎng)。

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。

2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳在北京宣布，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測(cè)量到其振蕩幾率。該發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是對(duì)物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項(xiàng)新的認(rèn)識(shí)，對(duì)中微子物理未來(lái)發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。

理論

性質(zhì)

中微子是費(fèi)米子，自旋是。中微子是輕子，且是電中性的，因此它們只有弱相互作用和引力相互作用。由于中微子的質(zhì)量不為零，因此在理論上允許中微子存在磁相互作用呢。但是到目前為止，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)表明中微子存在非零磁矩。

弱相互作用會(huì)產(chǎn)生三種味的中微子：電子中微子νe、μ子中微子νμ、τ子中微子ντ在若相互作用中三種味的中微子與其對(duì)應(yīng)的輕子關(guān)聯(lián)

在歷史上的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們認(rèn)為中微子是沒(méi)有質(zhì)量的?，F(xiàn)在已知中微子味本征態(tài)與中微子質(zhì)量本征態(tài)是不同的。中微子有三種離散的質(zhì)量本征態(tài)，中微子的味本征態(tài)是三種離散質(zhì)量對(duì)應(yīng)的本征態(tài)的線性疊加。目前科學(xué)界還不知道這三個(gè)離散質(zhì)量的具體數(shù)值，不清楚三者中哪一個(gè)更重，但是這三個(gè)質(zhì)量的平方差絕對(duì)值是已知的10。根據(jù)宇宙學(xué)測(cè)量，計(jì)算出三個(gè)中微子質(zhì)量之和必須小于電子的百萬(wàn)分之一11

中微子和反中微子手性不同。中微子的自旋總是左手的，而反中微子的自旋總是右手的

中微子振蕩

理論

布魯諾·龐特科沃提出的中微子振蕩的理論相當(dāng)簡(jiǎn)單，所用到的理論幾乎只涉及量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)?？紤]只有兩種中微子的情形，例如。量子力學(xué)中自由傳播的哈密頓算子的本征態(tài)就是質(zhì)量本征態(tài)。如果一種味的中微子可以自發(fā)地轉(zhuǎn)化成另一個(gè)味的中微子，那么這意味著這兩個(gè)味本征態(tài)都不是哈密頓量的本征態(tài)，真實(shí)系統(tǒng)的定態(tài)是這兩個(gè)態(tài)的正交線性組合

（4）

根據(jù)薛定諤方程，這些本征態(tài)的時(shí)間演化是

（5）

假設(shè)初始時(shí)，中微子的味時(shí)電子中微子?？梢杂?jì)算，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，子中微子的態(tài)演化到

（6）

相應(yīng)地，電子中微子轉(zhuǎn)化為子中微子的概率是

（7）

一個(gè)質(zhì)量是m，動(dòng)量是的相對(duì)論性粒子的能量是。代入（7），得到 （8）

我們可以看到，中微子振蕩的必要條件是：1.質(zhì)量本征態(tài)是味本征態(tài)的線性疊加；2.不同味的中微子之間必須有質(zhì)量差

中微子質(zhì)量測(cè)量

根據(jù)式，我們可以看到，中微子振蕩與質(zhì)量平方之差有關(guān)。設(shè)質(zhì)量平方差，那么這三個(gè)質(zhì)量平方差只有兩個(gè)是獨(dú)立的。基于中微子振蕩理論， 我們可以通過(guò)測(cè)量中微子震蕩的概率來(lái)測(cè)量上述的質(zhì)量平方差，但是直到目前位置測(cè)量單個(gè)中微子質(zhì)量仍然是很難的

MNS矩陣

在中我們只考慮了兩種中微子之間的振蕩，但是實(shí)際上有三種中微子相互振蕩，我們可以用MNS矩陣來(lái)描述

（9）

態(tài)必須是相互正交的，考慮幺正性要求，MNS矩陣可以近似用三個(gè)角度和一個(gè)相因子來(lái)表達(dá)，可以將矩陣寫(xiě)成如下形式

（10）

在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得

弱相互作用-

弱相互作用的媒介粒子是 或 和 。這些傳遞相互作用的玻色子都是很重的，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得其質(zhì)量

（11）

對(duì)于自旋為1的有質(zhì)量粒子有三種不同的極化 (-1,0,1) ，而無(wú)質(zhì)量的粒子（如光子）只有兩個(gè)。因此，對(duì)W 和 Z ，我們只需對(duì)其施加洛倫茲條件

（12）

自旋為 1 的有質(zhì)量的的玻色子可以用克萊因-戈登場(chǎng)來(lái)描述，傳播子是

（13）

弱相互作用理論的費(fèi)曼圖中基本的輕子頂角如下圖所示

其中表示任意類型的輕子，是味與之對(duì)應(yīng)的中微子或反中微子

來(lái)源

核反應(yīng)堆

核反應(yīng)堆的中微子是人工產(chǎn)生的中微子的主要來(lái)源。核反應(yīng)堆中的能量大部分都是通過(guò)裂變產(chǎn)生的，裂變產(chǎn)生的富含中子的核素迅速經(jīng)歷額外的β衰變

(14)

加速器

在一些粒子加速器中，質(zhì)子與固定標(biāo)靶碰撞，產(chǎn)生帶電的介子。這些不穩(wěn)定的粒子被聚焦到一個(gè)長(zhǎng)隧道中，在高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中衰變。由于衰變粒子的運(yùn)動(dòng)速度滿足相對(duì)論性的要求，中微子以高速前沖的粒子束的形式產(chǎn)生。這被稱為“中微子工廠”

對(duì)撞機(jī)

對(duì)撞機(jī)中可以以非常高的能量產(chǎn)生各種中微子和反中微子。2023年，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的FASER實(shí)驗(yàn)組報(bào)告了對(duì)中微子的直接觀測(cè)結(jié)果12

地質(zhì)學(xué)

在地球中的等238U,232Th,40K同位素會(huì)發(fā)生發(fā)射反中微子的衰變，這可以為我們提供豐富的有關(guān)地球內(nèi)部的信息

大氣

大氣中微子是宇宙線與大氣層的原子核相互作用的結(jié)果。宇宙線與大氣層中原子核作用后產(chǎn)生的很多粒子都不穩(wěn)定，發(fā)生衰變后會(huì)產(chǎn)生中微子。1965年2月，包括Frederick Reines在內(nèi)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在南非博克斯堡附近的東蘭德金礦3km深處的腔室中發(fā)現(xiàn)了宇宙線與大氣相互作用的中微子，這是人類首次在自然界中發(fā)現(xiàn)中微子6

太陽(yáng)與恒星

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型，太陽(yáng)中的核聚變?yōu)樘?yáng)燃燒提供能源。太陽(yáng)中發(fā)生的主要核反應(yīng)可以由質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)反應(yīng)過(guò)程來(lái)描述，如圖所示

可以看到其中的多個(gè)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中微子。在一些更加年老的恒星中，循環(huán)或反應(yīng)占主導(dǎo)地位，反應(yīng)如圖所示

宇宙大爆炸

在宇宙大爆炸的最初一瞬間，它與光子是原初宇宙的基本構(gòu)成粒子，光子占宇宙能量密度的28%，中微子則占72%；到宇宙大爆炸38萬(wàn)年之時(shí)，中微子在宇宙能量密度中的比例仍達(dá)10%。后來(lái)，它的份額已不到1%。但是，不要忽視這不足1%的份額，在宇宙空間中，由原子構(gòu)成的物質(zhì)世界也只占不到5%，其余95%以上都屬于暗物質(zhì)與暗能量，中微子就是暗物質(zhì)的一種。

超新星爆發(fā)

恒星演化晚期，恒星核心部分通過(guò)逐級(jí)熱核反應(yīng)，一直進(jìn)行到合成鐵，此時(shí)核燃料用盡，核反應(yīng)變緩直至中止，強(qiáng)大的引力使原子核的中子化過(guò)程加劇，而放射出大量中微子。強(qiáng)大的中微子束會(huì)產(chǎn)生足夠大的壓力，將恒星外殼吹散而形成猛烈的超新星爆發(fā)，并在爆發(fā)的最初幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生中微子暴，被吹散的外殼形成星云狀的超新星遺跡，中子化的核心留下來(lái)形成中子星。這類中微子的能量基本上在幾十兆電子伏量級(jí)。

高能中微子源

宇宙中的一些高能天體可產(chǎn)生高能中微子，如活動(dòng)星系核、宇宙距離的γ射線暴等。理論尚不能清楚地解釋能量高到銀河系的尺度容不下的宇宙線是如何產(chǎn)生和加速的，而把宇宙線核子加速到很高能量，必定會(huì)因π、μ的中微子過(guò)程而產(chǎn)生高能中微子。能量在幾百億電子伏以上的高能中微子的源將直接與非常高能的宇宙線的源相關(guān)聯(lián)。