[科普中国]-中微子

发现历程来源

中微子的发现来自19世纪末20世纪初对放射性的研究。研究者发现，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的。奇怪的是，物质在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。物理学上著名的哥本哈根学派领袖尼尔斯·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提出了一个假说，认为在β衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、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。这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测得到。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，只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。1931年春，国际核物理会议在罗马召开，与会者中有海森堡、泡利、居里夫人等，泡利在会上提出了这一理论。当时泡利将这种粒子命名为“中子”，最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中，1931年，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。

1933年，意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论，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能谱连续之谜终于解开了。

美国物理学家柯万（Cowan）和莱因斯（Reines）等第一次通过实验直接探测到了中微子2。他们的实验实际上探测的是核反应堆β衰变发射的电子和反中微子，该电子反中微子与氢原子核（即质子）发生反β衰变，在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号，从而实现对中微子的观测。他们的发现于1995年获得诺贝尔物理学奖3。

1956年，美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子，莱因斯获1995年诺贝尔奖。

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，获1988年诺贝尔奖。

1968年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，获2002年诺贝尔奖。

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。日本小柴昌俊获2002年诺贝尔奖。

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。日本梶田隆章获2015年诺贝尔奖。

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。最早提出建设思路的是华裔物理学家陈华生博士Herbert H. Chen（美国普林斯顿大学理论物理博士学位，加州大学欧文分校物理学家）4。加拿大阿瑟·麦克唐纳获2015年诺贝尔奖。

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。

研究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，包括了6种夸克（上、下、奇、粲、底、顶，每种夸克有三种色，还有以上所述夸克的反夸克），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1930年奥地利物理学家泡利为了解释β衰变中能量似乎不守恒而提出的，1933年正式命名为中微子，1956年才被观测到。

中微子5是一种基本粒子，不带电，质量极小，与其他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。

性质粒子间的各种弱相互作用都会产生中微子，而弱相互作用速度缓慢正是造就了恒星体内“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。

太阳体内有弱相互作用参与的核反应每秒会产生10的38次方个中微子，畅通无阻的从太阳流向太空。每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体，甚至在夜晚，太阳位于地球另一边时也一样。

探测由于中微子与其他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他可能的背景干扰，中微子的探测仪器时常设立在地底下。

2013年11月21日由美国国家科学基金会提供的照片显示的是位于南极站的“冰立方天文台”，这是世界上最大的中微子探测器。

多国研究人员21日在美国《科学》杂志上说，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。科学家评论说，中微子天文学从此进入新时代。中微子是一种神秘的基本粒子，不带电，质量极小，几乎不与其他物质作用，在自然界广泛存在。它能自由地穿过人体、墙壁、山脉乃至整个行星，难以捕捉和探测，因而被称为宇宙中的“隐身人”。6

速度在基本粒子标准模型中，中微子的质量被假设为零[4]，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。

科学家首次对中微子的速度进行测量在1980年代早期，当时科学家透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，就会产生μ子及（或反）μ子中微子和（或反）电子中微子。透过长基线的设计，由远方的加速器以此种方式产生中微子，经过地壳的作用削减背景事例，来进行中微子震荡的研究。透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。结果显示中微子的速度是光速与假设相符。后来当这个实验在其他地方重复时，测量中微子的方法改用了MINOS侦测器，测出了一颗能量为3 GeV的中微子的速度达1.000051(29) c。由于这个速度的中间值比光速还要快，科学家当时认为实验的不确定性太大，而实际上中微子的速度应该不可能超过光速。这个实验设定了50 MeV的μ子中微子的质量上限。[5]7

超新星SN 1987A

同样的观测不单在地球上进行，当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，世界各地有三台中微子探测器各自探测到5到11个中微子。有趣的是：这些探测器是在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。对于这个现象，当时科学家把它解说为因为“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”，而这个速度亦与光速接近。然而，对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争议[6][7][8]，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡，其速度有可能会比光速还要快。

2011年9月，位于意大利格兰萨索国家实验室（LNGS）的OPERA实验宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志[9]。研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快[9][10][11]。根据这项对μ子中微子的研究，发现当平均能级达到17 GeV的μ子中微子从CERN走到LNGS，所需的时间比光子在真空移动的速度还要快60.7纳秒，即以光速的1.0000248倍运行，是实验的标准差10纳秒的六倍，“比光速快6公里[9]”，是非常显著的差异。如果此结果确定证实的话，必然会在物理学界引起极大轰动。其中一方的说法是，如果真的有如此大的差异，从超新星飞来的中微子应该早到数年而不是数小时。为此，合作进行实验的欧洲粒子物理研究机构特地举办了一场网络发表会[12]，详细说明他们的实验的方法以及各种误差的估算，同时邀请其他的实验机构能够重复相同的实验，来作为此结果的验证。[13][14]然而，在2012年2月，CERN发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象[15]，但同时另一个与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[16]。为此将在2012年5月重新进行试验进行检测[17]，在此之前，Opera的实验室中心主任已经引咎辞职。2012年5月，由诺贝尔奖得主卡洛·鲁比亚领导的团队ICARUS重新测量了中微子速度[18]，发现结果并没有超过光速。1

观测中微子只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用，具有最强的穿透力，能穿越地球直径那么厚的物质。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。正因为如此，在所有的基本粒子，人们对中微子了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（β衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100个。1998年，日本超级神冈（Super-Kamiokande）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。此后，这一结果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着重要作用，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。

物理性质中微子是一种难以捉摸的基本粒子，有三种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，分别对应于相应的轻子：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。中微子的探测比较困难，与其他物质的相互作用十分微弱，被称为“鬼微子”，它们可以轻松地穿过人体、建筑，甚至地球。所以，中微子在概念被提出20几年后，科学家才在实验室中观测到这种神秘粒子的存在。8

以前人们以为中微子是没有质量的，永远以光速飞行。1998年日本的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡，间接证明了它们具有微小的质量。不过这个质量非常非常小，1998年之前还没有测出来，它们的飞行速度非常接近光速，1998年之前也没有测出与光速的差别。由于它很难探测，是我们了解最少的基本粒子，现在还存在大量的未解之谜。正因为如此，在其它粒子都有大量证据证明严格遵守相对论时，也有不少人怀疑中微子会不会是个特例？7

谜团中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到，大小未知；其次，中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知；第三，中微子振荡还有两个参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关；第四，它有没有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。

研究范围获得来自恒星内部的信息

中微子天文学是天体物理的一个分支，主要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。中微子是不带电的静止质量很小的基本粒子。它和一般物质的相互作用非常弱，除特殊情况外，在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面，因此探测来自恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。最早的研究集中在太阳。太阳的能源主要来自内部的质子-质子反应，因而会产生大量的中微子。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。实测的结果远远小于恒星演化理论的太阳标准模型的预期值，这就是著名的太阳中微子问题。中微子震荡可以很好的解决这个问题。

更多方面

中微子还大量地产生于超新星爆发时和宇宙中其它物理过程中。在日本的一个矿井和美国的俄亥俄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SN 1987A的中微子辐射。欧洲共同体的GALLEX和俄国的一个装置利用中微子和镓的相互作用来探测中微子。

研究过程中微子1930年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设。1956年，柯温（C.L.Cowan）和弗雷德里克·莱因斯利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，观测到了中微子诱发的反应：

这是第一次从实验上得到中微子存在的证据。

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，但终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验。1941年，王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》杂志上。1942年6月，该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功，直到1952年，艾伦与罗德巴克合作，才第一次成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证明中微子不是几个而是一个。

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。由于中微子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的。直到1956年，这项实验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。首先实验需要一个强中微子源，核反应堆就是合适的源。这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变，分裂成碎片时又放出中子，从而使其再次裂变。裂变碎片大多是β放射性的，反应堆中有大量裂变碎片，因此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，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。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。为此，他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。

理论上讲，中微子的假设非常成功，但要观察它的存在却非常困难。由于它的质量小又不带电荷，与其它粒子间的相互作用非常弱，因而很难探测它的存在。1953年，美国洛斯阿拉莫斯科学实验室的物理学家莱因斯和柯万领导的物理学小组着手进行这种艰难的寻觅。1956年，他们在美国原子能委员会所属的佐治亚州萨凡纳河的一个大型裂变反应堆进行探测，终于探测到反中微子。

1962年又发现另一种反中微子。在泡利提出中微子假说以后，经过26年，人们才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。

中微子是哪一味？

每一种中微子都对应一种带电的轻子——电子中微子对应电子，μ中微子对应μ子，同理，τ（希腊字母，普通话念“涛”）中微子对应τ子。

电子中微子

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。

μ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。

τ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”。

相关研究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，美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下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。此外，把探测器埋到深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。

宇宙中微子的产生有几种方式。一种是原生的，在宇宙大爆炸产生，现在为温度很低的宇宙背景中微子。第二种是超新星爆发巨型天体活动中，在引力坍缩过程中，由质子和电子合并成中子过程中产生出来的，SN1987A中微子就是这一类。第三种是在太阳这一类恒星上，通过轻核反应产生的十几MeV以下的中微子。第四种是高能宇宙线粒子射到大气层，与其中的原子核发生核反应，产生π、K介子，这些介子再衰变产生中微子，这种中微子叫“大气中微子”。五是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，这个过程叫“光致π介子”， π介子衰变产生高能中微子，这种中微子能量极高。第六种是宇宙线高能质子打在星体云或星际介质的原子核上产生核反应生成的介子衰变为中微子，特别在一些中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中微子。第七种是地球上的物质自发或诱发裂变产物β衰变产生的中微子，这类中微子是很少的。

泡利提出中微子假说时，还不知道中微子有没有质量，只知道即使有质量也是很小的，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，日本科学家宣布他们的超级神冈中微子探测装置掌握了足够的实验证据说明中微子具有静止质量，这一发现引起广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本中部岐阜县的小镇神冈町，希望亲眼目睹实验过程。美国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。”

超级神冈探测器主要用来研究太阳中微子。太阳是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量来源。事实 上，到达地球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。爱因斯坦相对论的质能关系式使人们了解了核能，而太阳正是靠着核反应才可以长期辐射出巨大能量，这就是太阳能源的来源。在太阳上质子聚变和其他一些轻核反应的过程中不仅释放出能量，而且发射出中微子。人们利用电子学方法或者放射化学的方法探测中微子。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。科学还无法解释太阳中微子的失踪之谜，也许是因为中微子还有许多我们不了解的性质。

这个探测装置由来自日本和美国的约120名研究人员共同维护。他们在神冈町地下一公里深处废弃的锌矿坑中设置了一个巨大水池，装有5万吨水，周围放置了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，供科学家们分析。

已经确认的有三种中微子：电子中微子、μ（缪子）中微子和τ（陶子）中微子。日本科学家设计的这个装置主要是用来探测宇宙射线与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的缪子中微子。研究人员在6月12日出版的美国《科学》杂志上报告说，他们在535天的观测中捕获了256个从大气层进入水槽的μ中微子，只有理论值的百分之六十；在实验地背面的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有139个，只剩下理论值的一半。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。其结论不言而喻：中微子具有静止质量。研究人员指出，这个实验结果在统计上的置信度达到百分之九十九点九九以上。

这个实验不能给出中微子的准确质量，只能给出这两种中微子的质量平均值之差－－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。中微子具有质量的意义却不可忽视。一是如前所述，由于宇宙中中微子的数量极其巨大，其总质量也就非常惊人。二是在现有的量子物理框架中，科学家用假设没有质量的中微子来解释粒子的电弱作用；因此如果它有质量，目前在理论物理中最前沿的大统一理论模型（一种试图把粒子间四种基本作用中的三种统一起来的理论）就需要重建。

研究方向从19世纪末的三大发现至今，已经过去了100年。在这一个世纪，科学技术飞速发展，人类对自然有了进一步的认识。但是仍有许多自然之谜等着人们去解决。其中牵动全局的问题是粒子物理的标准模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。

中微子是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律，但是仍有许多谜团尚未解开。中微子的质量问题到底是怎么回事？中微子有没有磁矩？有没有右旋的中微子与左旋的反中微子？有没有重中微子？太阳中微子的强度有没有周期性变化？宇宙背景中微子怎样探测？它在暗物质中占什么地位？恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘？ 这些谜正点是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义，在我的日常生活中也有现实意义。人类认识客观世界的目的是为了更自觉地改造世界。我们应充分利用在研究中微子物理的过程中发展起来的实验技术和中间成果，使其转化成生产力造福人类，而中微子本身也有可能在21世纪得到应用。

应用其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通讯联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站。

应用之二是中微子地球断层扫描，即地层CT。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，将地层一层一层地扫描。

中微子天文学中微子天文学天体物理学的一个分支﹐主要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。中微子是一种不带电﹑静止质量极小的基本粒子。早在研究原子核的β衰变时就从理论上预见到中微子的存在﹐但直到1956年才在实验中观察到。中微子和一般物质的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情况外，在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面﹐因此﹐对恒星发射的中微子进行探测﹐可以获得有关恒星内部的信息。

太阳中微子实验

太阳每秒放出的总辐射能为 3.86×10尔格。其中绝大部分的能量由质子－质子反应产生﹐很小一部分由碳氮循环产生。这些反应中有许多分支反应过程是产生中微子的﹐中微子在地球表面处的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本领﹐一般很难测量。美国布鲁克黑文实验室的戴维斯等人在深矿井中进行了太阳中微子的实验。实验中用大体积的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘获中微子的反应﹕+Cl→e +Ar﹐来探测太阳中微子。从1955年以来﹐他们所得的结果是﹕

产生过程

在恒星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恒星演化的晚期﹐中微子的作用就变得重要了。这时﹐产生中微子的过程主要有以下几种：

第一种是尤卡过程。其反应为：

(Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +﹐

e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+。

尤卡过程的总效果﹐是将电子的动能不断地转化为中微子对而放出。式中Z 为原子序数(质子数)﹐A 为质量数(核子数)﹐e 为电子﹐为电子中微子﹐为反电子中微子。

第二种是中微子轫致辐射。隆捷科沃于1959年首先进行研究。电子与原子核(Z﹐A )碰撞﹐可以发射中微子对﹐其反应为：

e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )++。

第三种是光生中微子过程。丘宏义和斯塔贝尔曾在1961年首先进行研究。γ光子与电子碰撞﹐可以发射中微子对﹐其反应为：

γ+e →e ++。

第四种是电子对湮没中微子过程。丘宏义和莫里森于1960年首先进行研究。正﹑负电子对湮没为中微子对﹐其反应为：

e +e →+。

式中e 为正电子。

第五种是等离子体激元衰变中微子过程。J.B.亚当斯等人于1963年进行研究。等离子体激元可以按如下的反应衰变为中微子对：

→+。

第二﹑三﹑四﹑五种过程是根据1958年范曼和格尔曼提出的普适弱相互作用导出的。弱电统一理论提出后﹐又出现了许多新的中微子过程﹐例如上述第三﹑四﹑五种过程右方的+都可推广为+﹐+等。

作用

在恒星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕发射中微子﹐带走了大量的能量﹐加快了恒星演化的进程和缩短了恒星演化的时标﹔对超新星爆发和中子星形成可能起关键作用。例如﹐有一种看法认为﹕在一个高度演化的恒星内部﹐通过逐级热核反应﹐一直进行到合成铁。进一步的引力坍缩，将使恒星核心部分产生强烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由于中性流弱作用的相干性﹐铁原子核对中微子有较大的散射截面。因此﹐强大的中微子束会对富含铁原子核的外壳产生足够大的压力﹐将外壳吹散而形成猛烈的超新星爆发。被吹散的外壳形成星云状的超新星遗迹﹐中子化的核心留下来形成中子星。

恒星离我们十分遥远﹐以目前的探测技术还无法接收到它们发射的中微子流。只在超新星爆发使中微子发射剧增时﹐才有可能探测到。除了恒星以外﹐在类星体﹑激扰星系以及宇宙学研究对象中﹐也存在许多有关中微子过程的问题。

中微子实验

中微子是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科，本身性质也有大量谜团尚未解开。在这一领域，大部分成绩均为日本和美国取得。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的可行方案，美国人艾伦成功地用这种方法证明了中微子的存在。80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。

中微子振荡研究的下一步发展，首先必须利用核反应堆精确测量中微子混合角theta13。位于中国深圳的大亚湾核电站具有得天独厚的地理条件，是世界上进行这一测量的最佳地点。由中国科学院高能物理研究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，以及中国香港、中国台湾、俄罗斯、捷克的研究机构。实验总投资约3亿元人民币，2011年建成。它的建成运行将使中国在中微子研究中占据重要的国际地位。

中微子具有质量，这是很早就提出过的物理概念。但是人类对于中微子的性质的研究还是非常有限的。我们至今不是非常确定地知道：几种中微子是同一种实物粒子的不同表现，还是不同性质的几种物质粒子，或者是同一种粒子组成的差别相当微小的具有不同质量的粒子。随着人类认识的深化，科学技术的发展，中微子之谜终究是会被攻破的。

此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心，接收方则是意大利罗马附近的意大利国立核物理研究所。粒子束的发射方和接收方之间有着730公里的距离，研究者让粒子束以近光速运行，并通过其最后运行的时间和距离来判断中微子的速度。中微子束在两地之间的地下管道中穿梭。

但物理学家们认为，一旦这些粒子确实被证实跑过了光速，将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式。有分析人士认为，可能宇宙中的确还存在其他未知维度，中微子抄了其他维度的“近路”，才“跑”得比光快。现在此结论还有待进一步证实。

大亚湾发现新中微子振荡

大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳8日在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。该发现被认为是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。

上海交通大学物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东这样阐释这项研究的意义：“大亚湾实验发现了电子中微子震荡的新模式，这种模式的发现对了解为什么在物质远远多于反物质，对解释太阳系中元素的丰度有极其重要的作用。在我们所观察到的宇宙中，物质占主要地位，但为什么如此，到现在还没有一个合理的解释，大亚湾实验的结果打开了一扇大门。”

另据王贻芳透露，2002年，两名美日科学家因发现大气中微子振荡、太阳中微子振荡获得了当年的诺贝尔物理学奖，但第三种振荡一直未被发现。9年前，中科院高能所研究人员提出设想，利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡。“2003年左右，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案，最终有3个进入建设阶段，这就包括咱们的大亚湾核电站。”王贻芳称，为抢在竞争对手之前获得物理结果，科研人员将实验分为两个阶段，此次结果便来自第一阶段的数据。9

超高能中微子那些用于监测罕见偶发事件的监测系统往往造价昂贵，但最终监测数年而一无所获。因此，近期科学家们对一个消息感到振奋鼓舞的心情也就不难理解了：他们设立在南极的冰立方探测器——一台专用于监测中微子的巨型设备，在2013年报告检测到两个具有异常高能量的中微子粒子，其能量接近1000TeV(1千万亿电子伏特)，这比来自太阳的中微子能量高出近10亿倍。随后南极冰立方望远镜项目的科学家们进一步进行了数据分析并发现了另外26个能量高于30 TeV的中微子。科学家们目前还需要更多的观测数据才能尝试确定这些具有异乎寻常高能量的中微子的来源，而这样做将可能需要建造一台更大的探测器。但有一点，他们初步认为这些中微子是源自太阳系之外的，而自从1987年之后人们就再也没有在实验中探测到如此遥远来源的中微子。科学家们相信这些神秘粒子携带着有关天体物理学事件，如遥远星系中伽马射线暴的信息。10

观测由于探测技术的提高，人们可以观测到来自天体的中微子，导致了一种新的天文观测手段的产生。美国正在南极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微子，可以用来研究地球构造。

欧盟的望远镜欧盟正打造它的太空“鹦鹉螺号” ——KM3中微子天文望远镜，它将安装在地中海一立方公里的海水中。儒勒·凡尔纳的科幻小说《海底两万里》讲述了尼莫(拉丁语为“无此人”的意思)船长和他的“鹦鹉螺号”潜水艇的历险故事；中微子则是我们所能知的最接近“无物质”的最小粒子，它也是一种黑暗的物质。小说中的“鹦鹉螺号”被用来探索海底世界，中微子也可以被用来观测太空中那些遥不可及的天体。目前，欧盟正打造它的太空“鹦鹉螺号”——KM3中微子天文望远镜，它将安装在地中海一立方公里的海水中。

欧洲KM3计划的负责人之一，英国谢菲尔德大学的李·汤普森博士说：“利用中微子观察宇宙是一种全新的技术。中微子不会被其他物质吸收，也不会被其他东西反射。中微子可以穿过我们的身体，也可以穿过地球，但它们本身丝毫不受到影响。中微子不带电荷，它们的运动路线也不会因其他电磁场而弯曲。所以，一旦发现中微子，并判断出它的运动方向，我们就可以发现它在宇宙中的来源。”

由于完全不受其他物质的影响，中微子可以提供关于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，你必须有一个巨大的探测器。为了让KM3正常工作，大量的传感器要被放置在地中海海底的一个巨大水体之内，这样它们才能捕捉任何偶然经过的中微子轨迹。

在小说中，“鹦鹉螺号”在航行中需要防御大型甲壳动物的攻击。在海底工作的KM3也有自己的麻烦。它需要被安放在一个没有过多海底生物的地方，因为这些在黑暗中大量繁殖的海底生物会自己发光，从而干扰感应器对中微子光的捕捉。

北京的望远镜与此同时，研究人员还在北京实现了第二台望远镜的全遥控试运行，成功实现了与中意合作ARGO全覆盖地面探测器的联合观测。截至5月23日凌晨，这台望远镜已观测到50多个宇宙线事例。中国科学院高能物理研究所研究人员表示，超高能中微子望远镜研制的成功，标志着中国具备了实施超高能中微子探测这一探索性研究的技术和人员条件，为超高能中微子探测研究的正式立项奠定了坚实的基础。

主要理论一些欧洲科学家在实验中发现，中微子速度超过光速。如果实验结果经检验得以确认，阿尔伯特·爱因斯坦提出的经典理论相对论将受到挑战。 光速约每秒30万公里，爱因斯坦的相对论认为没有任何物体的速度能够超过光速，这成为现代物理学的重要基础。如果真的证实这种超光速现象，其意义十分重大，整个物理学理论体系或许会因之重建。

此结论：中微子要比光子快60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）

【已被证实为实验失误，系电脑与全球定位系统（GPS）设备之间的光缆连接松动所致】

意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目研究人员使用一套装置，接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束，发现中微子比光子提前60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）到达，即每秒钟多“跑”6公里。“我们感到震惊，”瑞士伯尔尼大学物理学家、“奥佩拉”项目发言人安东尼奥·伊拉蒂塔托说。2011年9月22日英国《自然》杂志网站报道了这一发现。研究人员定于23日向欧洲核子研究中心提交报告。（据美国《科学》杂志网站报道，去年有关中微子比光跑得快的发现曾震惊科学界，但这个实验结果实际上是由于操作失误，电脑与全球定位系统（GPS）设备之间的光缆连接松动所致。)

挑战经典

相对论是现代物理学基础理论之一，认为任何物质在真空中的速度无法超过光速。这一最新发现可能推翻爱因斯坦的经典理论。欧洲核子研究中心理论物理学家约翰·埃利斯评价：“如果这一结果是事实，那的确非同凡响”。法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体，这是“革命性”发现，一旦获得证实，“广义相对论和狭义相对论都将打上问号”。他没有参与这一项目，然而查阅过实验数据。比内特吕说，这项实验中，中微子穿过各类物质，包括地壳，“这也许会减慢它们的速度，但绝不会增加它们的速度，让它们超过光速”。

有待检验

这不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战。2007年，美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果，但对实验的精确性存疑。

“奥佩拉”项目发言人伊拉蒂塔托说，项目组充分相信实验结果，继而公开发表。“我们对实验结果非常有信心。我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的地方，却什么也没有发现。我们想请同行们独立核查。”

这一项目使用一套复杂的电子和照相装置，重1800吨，位于格兰萨索国家实验室地下1400米深处。项目研究人员说，这套接收装置与欧洲核子研究中心之间的距离精度为20厘米以内，测速精度为10纳秒以内。过去两年，他们观测到超过1.6万次“超光速”现象。依据这些数据，他们认定，实验结果达到六西格玛或六标准差，即确定正确。

欧洲核子研究中心物理学家埃利斯对这一结果仍心存疑虑。科学家先前研究1987a超新星发出的中微子脉冲。如果最新观测结果适用于所有中微子，这颗超新星发出的中微子应比它发出的光提前数年到达地球。然而，观测显示，这些中微子仅早到数小时。“这难以符合‘欧佩拉’项目观测结果，”埃利斯说。

美国费米实验室中微子项目专家阿尔方斯·韦伯认为，“欧佩拉”实验“仍存在测量误差可能”。费米实验室女发言人珍妮·托马斯说，“欧佩拉”项目结果公布前，费米实验室研究人员就打算继续做更多精确实验，可能今后一年或两年开始。

伊拉蒂塔托欢迎同行对实验数据提出怀疑，同样态度谨慎。他告诉路透社记者：“这一发现如此让人吃惊，以至于眼下所有人都需要非常慎重”。

就韦伯而言，即使实验结果获得确认，相对论“仍是优秀理论”，只不过“需要做一些扩充或修正”。他说，艾萨克·牛顿的重力理论不完美，但并不妨碍人类借助它飞向太空。

更新后的检验9月份发布“中微子超光速”消息的机构是欧核中心（CERN）与大型中微子振荡实验（OPERA）项目组。实验发现，位于日内瓦边境的CERN发射出的中微子束，“翻山越岭”来到732公里外的意大利，在实验误差不超过10纳秒的情况下，中微子的行进速度竟比光快了58纳秒。 这一有可能颠覆当前物理学研究根基的结果震撼了整个学界，也招致了世界上绝大部分物理学家的集体质疑。在当初的各种疑问当中，科学家特别指出，整个实验开始时中微子被质子束产生所需的时间，都比完成实验行进距离后所耗费的时间要久得多。有鉴于此，欧核中心在10月份更换了设备，使中微子的生成时间缩短到了3纳秒，以此来更好地与到达意大利格兰萨索的中微子做比较。第二次重复性实验的结果表明，中微子依旧比光提前到达了62纳秒。这在与第一次实验结论完全吻合的同时，也否定了关于中微子脉冲的持续性与实验结果有关的猜测。

11月17日，该研究团队再次发布报告称，已通过二次检验，获得了与第一次实验相同的结果，且以此排除了实验过程存在错误的可能性。该实验发言人、合作参与研究的瑞士伯尔尼大学安东尼奥·埃里蒂塔图博士表示，本次结果要“稍好点”。其他研究人员亦认为，本次在实验精确性、统计分析等多方面得到改进，且虽说都是OPERA的人，但却是由不同的小组来完成重复实验。

据《纽约时报》在线版、《华盛顿邮报》在线版等多家媒体11月20日消息称，来自OPERA的研究人员当地时间17日发布了新产生的实验数据，再次确认了此前轰动一时的“中微子超光速”实验结果，且这是针对前一次的部分质疑进行了设备修正后再次实验得出的结论。不过，鉴于该实验的“原始”制造方和再次验证都是同机构中人，各地科学家们普遍希望能有独立实验予以复制分析，否则对理论的怀疑都是后话，因为对实验自身的怀疑尚还不能平息。

这一结果给科学界带来了巨大困惑，因为这与爱因斯坦狭义相对论中光速是宇宙速度的极限，没有任何物质的速度可以超越光速的理论相悖。

10月份，欧洲核子研究中心优化了实验方案并开始复核中微子超光速实验，最终“新的测量方法没有改变最初的结论”。但欧洲核子研究中心也表示，在中微子速度超越光速这一结论被驳倒或者被证实前，还需要进行更多的实验观察和独立测试。11

物理学家解释北京时间10月18日消息，超光速中微子存在意味着爱因斯坦的推测是错误的。至少自从科研人员在意大利通过OPERA试验提出中微子比我们认为的早到60纳秒后，这就一直是一些非常受欢迎的新闻媒体喜欢谈论的话题。对这一异常结果非常感兴趣的科学家从此开始寻找更准确的答案。该消息宣布3周后，arxiv网站的预印版上粘贴出80多种解释。虽然一些人提出新物理学的可能性，例如中微子在额外维中穿行，或者特定能量的中微子的运行速度比光更快，但是很多人为这项试验提出创新性更少的解释。

有关超光速的解释，最早出现的一个反对理由来自一项天体物理学研究。1987年，一颗强大的超新星产生的大量光和中微子涌向地球。虽然中微子探测器观察到这种微粒比光早到大约3小时，但是很有可能是这种超轻粒子先开始向地球方向飞来。中微子很难与物质产生互动，它相对比较容易从爆炸的恒星核里逃逸出来，而光子会被多种元素吸收并重新发射出来，它从恒星核里逃逸出来需要更长时间。如果OPERA试验得出的结果与观测结果一样，科学家认为中微子应该比光早到超过4年时间。

其他科学家已经把这一超光速结果应用到采用标准物理模型的任务中，这种模型用来描述所有亚原子粒子以及它们之间的互动。据标准物理模型显示，能量足够高的中微子应该能够通过被称作科恩-格拉肖喷射（Cohen-Glashow emission）的过程产生虚拟电子对。正如诺贝尔奖得主格拉肖和他的同事们在一篇论文里的解释，这些喷射物将会逐渐耗尽超光速中微子产生的能量，导致它们的运行速度放慢下来。

理论物理学家马特-施特拉斯勒也在他的博客上说，标准物理模型的特性表明，要让中微子的运行速度比光快，电子也要这样。但是如果电子中微子以OPERA试验提出的速度运行，那么电子至少也应该比光速快十亿分之一。很多试验已经确定电子的理论极限，这很好地排除了上述假设。OPERA科研组利用GPS卫星精确测量探测器与欧洲粒子物理研究所的粒子束之间的730公里的距离，该研究所正是产生中微子的地方。然而根据狭义相对论，如果两名观察员向彼此靠近，将会得出略微不同的结论。

由于卫星是在围绕地球运行，中微子源和探测器的位置会不断发生变化。据该论文说，卫星运动会导致64纳秒的误差，几乎与OPERA科研组的观察结果接近。最终，物理学界还需要花费大量时间，并获得大量学术知识，才能为该科研组得出的结果提供真正的解释。在此之前，激烈的争论可能会一直持续下去。6

质疑者的声音在OPERA实验结果发表后，除了科学家口头表达的看法外，几天内就出现了几十篇论文，探讨实验的结果。不少知名科学家包括诺贝尔奖获得者，都斩钉截铁地说，肯定是OPERA实验错了。

从概率上来说，最大的可能性是这个实验本身有漏洞，只不过现在还没有被发现。有人指出了实验的几个测量环节有可能会出问题。诺贝尔奖获得者格拉肖发表论文，说明如果真的超了光速，中微子的能量会在地下飞行过程中损失，实验结果会自相矛盾。因此，当务之急是重复实验结果。诺贝尔奖获得者鲁比亚在参加北京诺贝尔奖论坛时表示，另外两个意大利中微子实验BOREXINO和ICARUS可以用来验证。美国MINOS实验也表示，他们会马上分析数据，给出一个初步结果，然后再改进测量设备，验证OPERA实验的结果。

第二种可能是中微子具有特殊性质，这样相对论也是对的，这个实验结果也是对的。比如说，欧洲核子研究中心发出的中微子有可能振荡到一种惰性中微子，而惰性中微子可以在多维空间中“抄近路”，然后再振荡回普通中微子，这样看起来中微子就跑得比光快了。也有人认为中微子的质量不是固定的，与暗能量有关联，会随环境变化，这样在飞行过程中看起来比光速快。诸如此类的理论很多，不过这些理论本身就需要大量实验来证实。

第三种可能就是相对论错了，光速是可以超过的。包含两次实验的具体内容的论文已经公布到互联网上供公众查阅，并已提交给《高能物理学》杂志。相对于9月份实验之后部分OPERA成员不愿在报告草案上署名并希望有更多时间进行检验的状况，埃里蒂塔图向新闻界表示，人们会在第二次实验报告上看到全体研究成员的签名。

论文公布后，反对派的物理学家们指出，尽管回答了一些关于实验的质疑，但OPERA的报告依然回避了以下信息：日内瓦与格兰萨索的时间如何保持同步？两地之间的距离如何得到精确测量？夏威夷马诺大学的中微子物理学家约翰·莱纳德表示，尽管研究者的构想与努力独具创新，但该实验在时差测算中依然存在深层次的系统错误。与许多其他物理学家一样，莱纳德承认绝对可信的理论实际上并不存在。但他们看到了此事件的另外一面——关于中微子的研究正因为那种它所可能带来的深入、广泛的影响而愈具吸引力。而回到物理学理论上，即便该实验结论最终得到证实，那也“将是非常有趣的事”。

欧核中心的理论物理学家阿尔瓦罗·卢居拉认为，中微子实验的结果只能有两种解释：其一，实验者尽管偶然但确实完成了一项革命性的伟大发现；其二，也是他自己选择相信的，是这两次实验都存在着相同的却没有被认识到的错误。

2011/11/2文汇报以整个版面报道了“超光速震撼”.

目前，其他大部分物理学家对于这种颠覆规律的结论依旧持怀疑和保留态度。

而《纽约时报》的报道在全文开篇就指出：尽管已有一小撮儿科学家开始敢于质疑爱因斯坦的经典理论，但OPERA的那些“魍魉粒子”目前仍缺乏解释。12

中微子速度据著名期刊美国《科学》杂志网站报道，接近CERN实验者的消息来源透露，去年9月意大利实验室所作的中微子速度超光速结果终于有了解释：GPS信号接收器和PC之间的光缆没接好导致的系统误差造成了这一假象。

此前已经有更多的研究人员站出来称这一与相对论矛盾的实验结果是由于某种还未发现的系统误差所导致，并且相对论在“发现”之后至今的近一百年间已经为多个实验所证实。这次正是如此：研究人员发现检查连接用来校正中微子飞行时间的GPS信号接收器和PC的光缆后，此前中微子比光速快60ns的实验结果就可得到解释。具体进展还需等待进一步证实以及发表正式文章之后。

得到主流科学界的承认当然没那么容易，同时再次说明布线的重要性，该整理机房了……13

中微子超光速试验最新进展—“没有超光速效应” 据著名期刊美国《科学》2012年3月23日报道，实验人员在Gran Sasso，使用ICARUS接收器重新测量来自GERN的中微子的速度，发现中微子速度刚好是光速，并没有出现超光速效应。GERN的Carlo Rubbia（ICARUS队的发言人）说到:"没有超光速效应，我还能说什么？"OPERA的发言人表示：“来自ICARUS的实验结果和我们的近期实验结果相一致”。、

2012年6月8日，正在日本京都召开的国际中微子物理和天体物理学国际会议上，研究人员们向国际科学界报告了这项研究的最新进展情况。物理学家们宣布，之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误。世界上多个独立的研究小组进行的后续验证实验都已经证明，和所有其它事物一样，中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则。同时，欧洲核子研究中心的科学家们已经做出了澄清：之前的实验结果是错误的，实验设备的线缆接口出现问题导致了误差的发生。