中微子為什么被稱為幽靈粒子？中微子本質(zhì)是什么，它有什么用？

前一段時(shí)間，我做了一期中微子的科普。我自以為介紹的已經(jīng)很詳細(xì)了，但是評(píng)論區(qū)還有大量的人說(shuō) 中微子是什么？依舊搞不懂中微子的本質(zhì)。

我在那篇文章提到中微子是基本粒子。我萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到的是 居然很多人對(duì)基本粒子的認(rèn)知都搞不清。所以本篇文章將從更詳細(xì)，更基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)入手，保姆式講解中微子的前生今世。

首先中微子只是一種基本粒子而已，世間萬(wàn)物都是由物質(zhì)構(gòu)成的，而物質(zhì)都是由更小的物質(zhì)構(gòu)成，比如分子由原子構(gòu)成，原子由原子核和電子構(gòu)成。原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，中子和質(zhì)子又由夸克構(gòu)成。

而夸克在目前的認(rèn)知來(lái)看，已經(jīng)細(xì)分到頭了，夸克沒(méi)有更小的結(jié)構(gòu)了。所以這時(shí)候的夸克就被稱為基本粒子，基本粒子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最小單位，基本粒子是一種很模糊的能量場(chǎng)，在基本粒子尺度上，物質(zhì)全是含糊不清的能量體，沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有具體的形狀和邊界。在現(xiàn)代物理學(xué)中，基本粒子有61種，而中微子算上其反粒子，一共有6種，所以這六種中微子也就是構(gòu)成物質(zhì)的最小單位。

其實(shí)中微子并不罕見(jiàn)，太陽(yáng)就是巨大的中微子發(fā)射源，太陽(yáng)每秒能產(chǎn)生100萬(wàn)億億億億個(gè)中微子。其中有0.000...1%的中微子會(huì)穿過(guò)你的身體。所以此時(shí)此刻，至少有100萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)你的身體。但這些中微子不會(huì)和你體內(nèi)的原子發(fā)生相互作用，所以你也感受不到中微子的存在。這樣一來(lái)，中微子看起來(lái)就和幽靈一樣，會(huì)輕易穿過(guò)人體，而人又感知不到，所以才有傳言稱中微子是鬼。

既然中微子不能和物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，那它到底有啥用，到底又是怎么發(fā)現(xiàn)的。

首先在這里要辟個(gè)謠，中微子只是很難和物質(zhì)發(fā)生相互作用，而并非不會(huì)發(fā)生相互作用，只是概率極低，如果中微子真的不和任何物質(zhì)相互作用，那我們壓根就無(wú)法捕捉到它，那江門(mén)的中微子實(shí)驗(yàn)室就沒(méi)有必要了。

現(xiàn)在很多營(yíng)銷(xiāo)號(hào)說(shuō)中微子是央媽命名的，但凡稍微翻一翻物理學(xué)史，都不可能說(shuō)出這么無(wú)知的話。

中微子早在1930年就被泡利預(yù)言了。當(dāng)時(shí)泡利在研究β衰變時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種貌似違背能量守恒的情況。

泡利

因?yàn)楫?dāng)原子核中的質(zhì)子或者中子過(guò)多時(shí)，原子核結(jié)構(gòu)就很容易躁動(dòng)，就會(huì)發(fā)生β衰變來(lái)維持原子核的穩(wěn)定。比如當(dāng)中子過(guò)多時(shí)，原子核中的中子會(huì)轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且釋放一個(gè)電子，這就是“負(fù)β衰變”。

但是泡利很快發(fā)現(xiàn)，在負(fù)β衰變中，原子核每次釋放的電子能量并不相同，有時(shí)能量多，而有時(shí)能量低。并且每次釋放的電子能量，和原子核損失的能量對(duì)應(yīng)不上。這其中好像就有一部分能量消失了。難道說(shuō)能量守恒定律是錯(cuò)的嗎？

而能量守恒定律在物理學(xué)中是神圣且不可侵犯的，泡利壓根就沒(méi)有懷疑過(guò)能量守恒定律會(huì)錯(cuò)。所以泡利直接就推測(cè)，在負(fù)β衰變中，一定還存在第二種看不見(jiàn)的粒子，在衰變過(guò)程中，“消失的能量”肯定是由這個(gè)粒子所攜帶。如果存在這一粒子，那它肯定是電中性的，因?yàn)樗坏щ姾桑窃缇蜁?huì)被電磁探測(cè)器捕捉到的。

另外這一粒子也應(yīng)該不會(huì)參與電磁力。因?yàn)楣庾右彩请娭行裕珔s會(huì)參與電磁力。所以光子也很容易捕捉到。

之所以電磁裝置發(fā)現(xiàn)不了它，就恰恰證明它是電中性，而且不參與電磁力，與其他物質(zhì)很難發(fā)生互動(dòng)。

1932年，費(fèi)米聯(lián)合泡利將這一粒子命名為中微子。

雖然中微子不參與強(qiáng)力和電磁力，但會(huì)參與弱力和引力。通過(guò)中微子會(huì)參與弱力這一點(diǎn)就可以探測(cè)它

1942年，王淦昌首次提出通過(guò)電子俘獲觀測(cè)中微子！

在電子俘獲中，原子核中的質(zhì)子直接會(huì)捕獲核外內(nèi)層軌道的一個(gè)電子，帶負(fù)電的電子和帶正電的質(zhì)子相遇，就會(huì)電荷中和，變成中子。同時(shí)能量也會(huì)增加，為了保持能量守恒定律，就會(huì)將這部分能量轉(zhuǎn)化成“電中微子”，并且釋放出去。

直到1956年，人類(lèi)才首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到中微子的存在。

人類(lèi)要探測(cè)中微子需要考慮兩個(gè)因素。第一個(gè)因素就是屏蔽干擾。

中微子實(shí)驗(yàn)室要建在盡可能深的地下。因?yàn)樵诘孛嫔蠒?huì)有各種粒子干擾，導(dǎo)致探測(cè)器收集數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)混雜其他粒子的影響。反正中微子穿透力十分強(qiáng)，建在地下，既不影響中微子通過(guò)，還會(huì)屏蔽絕大部分帶電粒子。

第二個(gè)因素就是增加中微子的數(shù)量，地下中微子實(shí)驗(yàn)室收集的中微子來(lái)源幾乎都來(lái)自太陽(yáng)，雖然太陽(yáng)制造的中微子也不少，但畢竟多多益善，中微子來(lái)源越多，探測(cè)到它們的可能就越大。在地球上，能主動(dòng)制造大量中微子的地方也就是核電站了。

事實(shí)上，核裂變和聚變的過(guò)程都會(huì)釋放大量的中微子，太陽(yáng)的中微子大部分都來(lái)自核聚變。而地球上能通過(guò)核聚變釋放中微子的條件也只有氫彈爆炸和可控核聚變裝置了，這明顯不合適。所以只能轉(zhuǎn)向核裂變。

首先中微子實(shí)驗(yàn)室建造在核電站附近就會(huì)有大量的中微子源。考慮到中微子振動(dòng)的極大值一般在50公里到55公里左右。所以中微子實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該建造在直線距離核電站50多公里的位置。

江門(mén)開(kāi)平地下中微子實(shí)驗(yàn)室的選址則極為精妙。它的西南側(cè)50公里是陽(yáng)江核電站，東南側(cè)50公里是臺(tái)山反應(yīng)堆群。

這兩個(gè)裂變反應(yīng)堆距離江門(mén)的距離剛好相等，這也會(huì)將中微子的振蕩，疊加到盡可能最大的值。探測(cè)器捕獲到的中微子的可能性也會(huì)更大。

在江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室中。當(dāng)中微子穿過(guò)盛滿超純水的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，有極小的概率會(huì)通過(guò)弱力與水分子的原子核發(fā)生相互作用。并且釋放電子、μ子和τ子，而這三種粒子由于都是電子家族，所以都帶負(fù)電荷。

τ子由于質(zhì)量相對(duì)較大，很快就衰變了，剩下電子和μ子在水中穿梭時(shí)，就會(huì)和其他粒子發(fā)生電磁作用并且釋放光子，發(fā)出藍(lán)光，這就是切連科夫輻射，通過(guò)周?chē)鷶?shù)萬(wàn)個(gè)“光電倍增管”就能放大這種觀測(cè)效應(yīng)，繼而間接探測(cè)到中微子相互作用時(shí)的數(shù)據(jù)，這也算是捕捉到了中微子。

所以說(shuō)中微子并沒(méi)有多么神秘，它只是電中性，且不參與電磁力的一種基本粒子而已。