中微子与消失的能量之谜

在当前的粒子物理标准模型中，中微子是最微小、相互作用最弱的粒子，但却是促成我们如今宇宙的“大功臣”之一。

有了它的参与，恒星内部才产生了核反应，才能释放光和热；同样是有了它的参与，在超大恒星死亡时，才合成了比铁元素更重的元素（其中有大量人体必需的微量元素），并把它们抛向了宇宙各处。没有中微子，宇宙将一片死寂，没有光和热，也没有重核元素，更不会有地球上的生命。

从中微子1930年经泡利“介绍”正式进入科学界开始，到它终于被捕捉到，再到它的基本性质一步步被揭晓，中微子的故事充满了好奇、悬疑与惊喜。

下面，让我们通过本篇文章

了解一下中微子

是如何被“介绍”进入科学界的

中微子也被称为“幽灵粒子”“宇宙信使”

“绝望的泡利假说”

1930年12月，在苏黎世的一个寒冷的夜晚，时年30岁的物理学家沃夫冈·泡利，正在写一封寄往图宾根物理学会议的信，他表示因为必须出席一个在苏黎世举办的舞会而无法到场，但他想让他们知道，他已经找到了解决β衰变中恼人的能量消失之谜的方法。他提出了一种名为“中子”（后来被称为 “中微子”）的新粒子，位于原子核内部。这种粒子在β衰变中与电子一起发射，带走了消失的能量。

从他信中的语气可以看出，他认为这种补救方法是极端的。他是如此谨慎，以至于在信中写道：“......只有敢于尝试的人才能获胜。”25 年后，当这种粒子被发现时，他确实获胜了。

物理学家沃尔夫冈·恩斯特·泡利（1900~1958），因其提出的“泡利不相容原理”获得1945年诺贝尔物理学奖

起因：β衰变中消失的能量之谜

众所周知，能量守恒定律是现代物理学大厦的基石之一，它规定任何物理过程中，尽管系统会随时间演化但系统的总能量是不变的。即系统初始阶段有多少能量，最终阶段也会有同样的能量。能量守恒定律是人们理解世界的一大工具，并且没有任何与之相悖的现象出现，直到十九世纪九十年代初的一个核反应过程被进一步分析，其结果竟然与能量守恒定律相悖！

1896年，法国物理学家亨利·巴克雷在研究铀化合物的荧光现象时，发现了类似 X 射线的射线，与此同时欧内斯特·卢瑟福也发现了该射线，并将其命名为β射线。1902 年，皮埃尔·居里和玛丽·居里证明，β射线只不过是电子而已。后来，人们确定这些电子来自放射性原子的原子核。1903年，巴克雷（与皮埃尔和玛丽·居里一起）因发现自发放射性而获得诺贝尔物理学奖。

β衰变：原子核自发地放射出β粒子（电子）或俘获一个轨道电子而发生的转变。

β衰变示意图（右下角为中子经β衰变为质子、电子与中微子）

1914 年，卢瑟福的学生詹姆斯·查德威克正在研究氮和锂衰变中的β射线。根据能量守恒定律，两体衰变（由一变为二）的能量是固定的，但是查德威克观察到的β衰变的能量却不固定，并且有一部分能量消失了。这个结果违背了能量守恒定律，一度引起物理学界激烈的讨论，波尔甚至提出β衰变就是违背了能量守恒的说法。最终，泡利提出了前文中他自己称为“绝望的补救措施”的想法，即中微子的存在假设。（泡利实际上称这种粒子为“中子”，但后来被恩里科·费米称为“中微子”）。

物理学家詹姆斯·查德威克（1891~1974），因发现中子获得1935年诺贝尔物理学奖

中微子的存在假说从未出现在任何科学杂志上。事实上，泡利似乎很后悔提出这种粒子。他后来曾说：“我做了一件可怕的事情，任何物理学家都不应该这样做——我提出了一种无法被探测到的粒子”。1931年，狄拉克发表了关于磁单极子存在假说的论文。在此之后，泡利对伊西多·拉比（1944年诺贝尔物理学奖获得者）说：“我认为我比狄拉克聪明，我没有发表它。”这里的“它”指的是他的中微子假说。显然，泡利认为狄拉克当年在《皇家学会会刊》上发表了一篇关于未被发现的磁单极子的文章是不明智的。

而如今，磁单极子仍然未被发现，但中微子已成为一个全面开花的研究领域。

中国锦屏地下实验室研究中微子的优势

中微子实验与暗物质探测一样，需要极低辐射干扰的“安静”环境，用以捕捉中微子碰撞产生的闪光。同时，中微子实验动辄上百吨的探测器，对实验室空间需求很大，对设备安装需求很高。而由国投集团雅砻江公司和清华大学共建的中国锦屏地下实验室有着世界上埋深最深、空间最大、交通最便利的先天优势以及世界第一的辐射屏蔽条件，正好能满足中微子实验的开展。并且，中国锦屏地下实验室身处横断山脉中，靠近喜马拉雅山区，远离核反应堆，能更好地开展太阳中微子观测和地球中微子研究。

当前，入驻中国锦屏地下实验室开展中微子研究的实验组有来自清华大学的锦屏中微子实验组JNE，主要研究太阳中微子、地球中微子与超新星中微子。此外，CDEX和PandaX暗物质探测实验组正在同步进行无中微子双β衰变的研究，将进一步揭示中微子的特性。