神奇中微子「宇宙的隱形人」

今年一月，一項名叫「中微子振蕩新模式」的前沿科技成果獲得國家自然科學獎一等獎。這一科學獎17年有9次是空缺的。

中微子到底是什麼？它有什麼性質呢？

中微子是自然界的一種基本粒子，也可以叫做微中子，所謂基本粒子就是組成各種各樣物體的基礎，不改變物質屬性前提下的的最小體積物質。目前已知的基本粒子一共62種，按照作用力的不同可分為三大類，分別為輕子、強子、傳播子三大類。而中微子就是輕子中的一種。

在輕子中共有12種粒子，其中3種是：e、τ子、μ子，另外3種是它的反粒子：+e、反τ子、反μ子，一共6種輕子。

而這6種都各自有一個相伴的中微子，分別為：e中微子、τ子中微子、μ子中微子、+e中微子、反τ子中微子、反μ子中微子。

正因為它與普通物質不發生作用，與一些物質的相互作用極小，科學家們也就很難探測到它。所以在電影《2012》中描述的從太陽中發出的中微子直接與地核發生反應造成地質運動的大災難是不科學的。

中微子（圖片來源：網路）

在19世紀末上世紀初，科學家發現在量子世界中，能量的吸收和發射是不連續的，但是在物質的β衰變過程中釋放出電子組成的β射線的能譜卻是連續的，而電子只攜帶了總能量的一部分，還有一部分能量消失了。這一發現便直接挑戰了能量守恆定律！

難道真的是能量守恆定律錯了嗎？不是！1930年被科學家戲稱為「上帝的皮鞭」的奧地利物理學家泡利正式預言了中微子的存在。他認為在β衰變過程中，除電子帶走的一部分能量外還有一種粒子帶走了剩餘的能量，這種粒子質量為零，呈電中性。能量守恆定律在β衰變過程中依然成立。

到了1932年中子被發現後，義大利物理學家費米將泡利預言的這種粒子正式命名為「中微子」。

沃爾夫岡·泡利

科學家對中微子的探測主要源於太陽的弱核反應，諸如超級神岡探測器。從中微子的預言至今從未停止過對它的研究，美國物理學家柯萬和萊因斯等通過實驗直接探測到了中微子真實存在。實際上他們探測的是核反應堆β衰變發射的電子和反中微子，該電子反中微子與氫原子核（即質子）發生反β衰變，在探測器里形成有特定強度和時間關聯的快、慢信號，從而實現對中微子的觀測。他們的發現於1995年獲得諾貝爾物理學獎。這也是中微子研究產生的第一枚諾貝爾獎。

超級神岡探測器（圖片來源：網路）

2006年，我國與國際開始合作建造大亞灣中微子實驗室，於2011年完工。整個實驗室有總長3千米的隧道和3個地下實驗大廳，共放置8台中微子探測器。每台探測器高5米，直徑5米，重110噸，均置於10米深的水池中。

大亞灣中微子實驗室（圖片來源：網路）

2013年，我國正式籌備建造世界最大的空心有機玻璃球。位於廣東的江門中微子實驗裝置(JUNO)，預計2020年建成運行。為了儘可能多地捕獲從核電站飛來的中微子，中國科學家計劃製造一個12層樓高的空心有機玻璃球，球內灌有2萬噸能跟中微子反應的液體閃爍體。玻璃球將被放置在一個直徑40多米、容積5萬立方米的水池裡。

江門中微子實驗室概念圖（圖片來源：網路）

這是繼續大亞灣反應堆實驗室後我國主持的在廣東開始建造世界最精密的中微子特殊實驗室，實驗室位於700米深的地下，如果建造順利我國也將引領世界在中微子領域的研究。

參考資料：

2、The Nobel Prize in Physics 1995 ．Nobel Prize

3、Herbert H. Chen, Physics: Irvine ．California Digital Library

4、江門中微子實驗啟動建設．人民網

作者：李元甲 現代科學報-物理科學編輯部

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