宇宙幽灵中微子的奥秘

中微子的神秘特性与“宇宙幽灵”称号

中微子究竟有多么神秘？为何有人将它称为宇宙幽灵？这个世界上的所有物质，包括构建我们身体的原子、呼吸的空气，甚至与太阳光，都是由基本粒子所组成，及电子、夸克和中微子等。这些粒子都是在138亿年前宇宙诞生之初时的大爆炸，以及宇宙演化过程中产生的。本期视频我们将重点讲中微子。

中微子不带电荷，质量极其微小。作为一种不同寻常的基本粒子，其身上有着太多令人着迷的地方。它们仅通过4种基本力中的两种来与物质进行相互作用。基引力和弱相互作用力中微子几乎没有质量，再加上他们自身引力极小，几乎是无法被检测到的，运动速度极其接近光速。至于弱相互作用力，中微子必须与其他质子、中子或电子非常靠近时才能与它们相互作用，所以也很难被弱力作用干扰，也就是说弱力和引力对中微子的束缚几乎为零，这就导致中微子几乎不与物质发生任何反应，便可轻易的穿过原子。

就像科幻片中的穿墙术一样，当我们眨了下眼睛，在这短短的一瞬间，就有近百亿个中微子穿过。虽然有这么多的中微子在和我们密切接触，可这些粒子却很隐秘，不愿透露自己的踪迹，我们也感觉不到它们的存在，所以中微子被称为宇宙幽灵。

中微子在宇宙演化中的核心角色

但他们在宇宙的形成过程中依然扮演着核心的角色，不仅协助构建了恒星和星系，还渐渐创造出了一些在大爆炸后形成的基本元素。我们身处的物质世界，所有东西都能看得见、摸得着，但不少科学家普遍相信，在宇宙的起源和演化过程中曾存在过物质世界和反物质世界，只不过反物质世界在后来消失了。经过多年研究，很多科学家认为，广泛存在于物质世界里的中微子很可能包含了反物质世界中的重要信息，所以研究中微子就变得极其重要。

中微子的发现历程与中国实验室进展

那么中微子是如何被发现的呢？19世纪后期，研究人员在研究贝塔衰变时观测到了一种奇怪的现象。根据能量守恒和动量守恒定律当中，子衰变成一个质子和一个电子时，电子的能量应该是中子和质子的能量差，但实际测量到的电子能量却比预测的能量要小一些，这就意味着有一部分能量不知为何竟然凭空消失了。为了解释这种现象，1930年物理学家泡利提出了一个假设，即中子衰变后，除了质子和电子，还产生了第三个粒子。这个粒子也会从原子核中飞出，正好携带消失的能量和动量。这个栗子是一种不带电荷、没有或质量很小的新型粒子，自旋为2分之1，可以确保贝塔衰变中的能量守恒和角动量守恒。1934年，核反应堆之父费米将这种新型粒子命名为中微子。

虽然理论物理学家很早就预测了中微子的存在，但实验物理学家用了26年时间才终于找到了它的存在迹象。1956年，物理学家莱恩斯和考恩带领研究团队，通过探测核反应堆产生的电子反中微子，终于观察到了中微子存在的证据，这一年也被学界定义为中微子元年。如今，我国正在加速建设的位于地下700米的江门中微子实验室也将在今年年底投入科学研究，建成后将是世界上最前沿的高能物理实验装置，其有望首次测定中微子质量顺序，对三类中微子振荡参数的完备性测量也将达到前所未有的1%精度。

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