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，但是評論區(qū)還有大量的人說 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。我萬萬沒想到的是 居然很多人對基本粒子的認(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)知來看，已經(jīng)細(xì)分到頭了，夸克沒有更小的結(jié)構(gòu)了。所以這時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，在基本粒子尺度上，物質(zhì)全是含糊不清的能量體，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也沒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。

其實中微子并不罕見，太陽就是巨大的中微子發(fā)射源，太陽每秒能產(chǎn)生100萬億億億億個中微子。其中有0.000...1%的中微子會穿過你的身體。所以此時此刻，至少有100萬億個中微子穿過你的身體。但這些中微子不會和你體內(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，中微子看起來就和幽靈一樣，會輕易穿過人體，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。

首先在這里要辟個謠，中微子只是很難和物質(zhì)發(fā)生相互作用，而并非不會發(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，那我們壓根就無法捕捉到它，那江門的中微子實驗室就沒有必要了。

現(xiàn)在很多營銷號說中微子是央媽命名的，但凡稍微翻一翻物理學(xué)史，都不可能說出這么無知的話。

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

泡利

因為當(dāng)原子核中的質(zhì)子或者中子過多時，原子核結(jié)構(gòu)就很容易躁動，就會發(fā)生β衰變來維持原子核的穩(wěn)定。比如當(dāng)中子過多時，原子核中的中子會轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且釋放一個電子，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，有時能量多，而有時能量低。并且每次釋放的電子能量，和原子核損失的能量對應(yīng)不上。這其中好像就有一部分能量消失了。難道說能量守恒定律是錯的嗎？

而能量守恒定律在物理學(xué)中是神圣且不可侵犯的，泡利壓根就沒有懷疑過能量守恒定律會錯。所以泡利直接就推測，在負(fù)β衰變中，一定還存在第二種看不見的粒子，在衰變過程中，“消失的能量”肯定是由這個粒子所攜帶。如果存在這一粒子，那它肯定是電中性的，因為它一旦帶電荷，那早就會被電磁探測器捕捉到的。

另外這一粒子也應(yīng)該不會參與電磁力。因為光子也是電中性，但卻會參與電磁力。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。

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，但會參與弱力和引力。通過中微子會參與弱力這一點(diǎn)就可以探測它

1942年，王淦昌首次提出通過電子俘獲觀測中微子！

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

直到1956年，人類才首次在實驗中觀測到中微子的存在。

人類要探測中微子需要考慮兩個因素。第一個因素就是屏蔽干擾。

中微子實驗室要建在盡可能深的地下。因為在地面上會有各種粒子干擾，導(dǎo)致探測器收集數(shù)據(jù)時，會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，還會屏蔽絕大部分帶電粒子。

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

事實上，核裂變和聚變的過程都會釋放大量的中微子，太陽的中微子大部分都來自核聚變。而地球上能通過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。

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

江門開平地下中微子實驗室的選址則極為精妙。它的西南側(cè)50公里是陽江核電站，東南側(cè)50公里是臺山反應(yīng)堆群。

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

在江門中微子實驗室中。當(dāng)中微子穿過盛滿超純水的實驗裝置時，有極小的概率會通過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)量相對較大，很快就衰變了，剩下電子和μ子在水中穿梭時，就會和其他粒子發(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，通過周圍數(shù)萬個“光電倍增管”就能放大這種觀測效應(yīng)，繼而間接探測到中微子相互作用時的數(shù)據(jù)，這也算是捕捉到了中微子。

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