第十一期：探测中微子

1932年泡利预言了中微子的存在，但是直到1956年人类才算发现了中微子的影子。为什么探测中微子如此之难呢？首先中微子太轻太小了，甚至人们原以为中微子是没有静质量的，和光子一样，具有光速，但是它又不发光。这就没有办法通过看的方法找到。其次中微子不带电，不带电就意味着很难通过电学手段进行探测，比如说通过电磁使其偏转或者在接收屏上收到电信号，不行。那我们能不能通过碰撞的方式来寻找中微子呢？比如说用电子或者光子来碰撞中微子，然后来探测电子或光子的变化。还是那个问题，中微子太小，所以碰撞的概率就变得特别低。

假如费米预言是对的话，中微子还得与原子核发生相互作用才方便被探测到。原子核的体积大概是原子的几千亿分之一，也就是说一个中微子从一个原子中穿过去，它想打到这个原子核的概率低于千亿分之一，也就是说大约需要一千亿个中微子穿越某一个特定的原子，才可能和它的原子核发生碰撞，概率就这么低。宇宙射线中每秒钟大概有上万亿个中微子从我们的身体穿过，但是我们身体里的原子数量却基本上算是无数个，要想某个原子核里发生碰撞的概率是微乎其微的。因此中微子又被称作“幽灵粒子”。

所以从泡利和费米预言了中微子之后，人们一直拿这个幽灵粒子没有办法，第一个提出可行性的是我国的物理学家王淦昌先生。1930年王淦昌到柏林留学，他的导师是奥地利著名的女物理学家莉泽·迈特纳，这位虽然没有获得过诺贝尔物理学奖，但是却三次被提名，最主要的成绩就是她是第一个理论解释了核裂变的人，在原子物理中的地位是很高的。值得一提的是，当年寻找中子的过程中，王淦昌最先建议，应该用云室来检测。后来到了1932年查德威克正是采纳的王淦昌的建议，使用云室代替了盖革计数器才发现了中子。

1941年，当时王老在浙江大学任教，他提出了一种办法说可以用来检测中微子，这个办法叫做K层电子俘获。当时人们发现有一种核反应应该可以产生中微子，就是一个核A在发生衰变的时候会变成核B +一个正电子+中微子，其中核B叫做反冲核，它的动量和能量是比较容易测量出来的，但是反应之后生成三种物质，正电子就不好测量，所以就导致测算的中微子的质量和能量就不够准确，所谓K层电子俘获就是说，原子核外围的电子轨道是分层的，其中有一层轨道就叫做K层，那K层电子俘获就是说核A可以通过俘获K层上的电子的方式来进行衰变，那反应式就变成了核A+电子生成核B+中微子，这回就只生成两种粒子了，反冲核的动量只要测量准确，就可以知道中微子的质量和能量了。王淦昌先生还建议，可以尝试用轻金属铍的K层电子俘获来检验中微子的存在。这是第一次提出了探测中微子的理论可行性，不过这个办法算是间接探测。有没有比较直接一点的办法呢？

1956年，有两个人，莱茵斯和科温他们首次完成了直接观察中微子的实验。具体办法是这样的，根据费米的β衰变理论，中微子应该可以和质子发生反应，生成一个中子+一个正电子。但是这个反应的概率极低，生成的正电子会迅速和电子发生湮灭，放出两个光子，中子也会被迅速俘获这个过程会放出一个光子。所以我们只需要检测到这种双光子事件的存在就可以证明这个反应过程了。由于反应概率低，所以我们就需要找能够生成大量中微子的地方。

二战结束以后，美国有很多原子核反应堆，反应堆中的原子核反应就会产生大量的中微子，所以莱茵斯和科温就在反应堆旁边做实验。用液体闪烁体作为探测器，闪烁体在光子的作用下会发出闪光，然后用光电倍增管来检测这些闪光。经过长时间的探测，终于发现了少量的中微子，实际上他们探测到的是反中微子，就这样，1956年中微子在实验中被观察到了。泡利的预言也得到了证实。不过这二位的诺奖发的就比较迟，一直到了1995年才决定给他俩颁发诺奖，但此时的科温早已经去世了，就只有78岁的莱茵斯一个人去领奖了。至此关于中微子的理论和实验就全部得到了证实。不过很快人们就发现，中微子的事情好像并没有那么简单。

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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