浅说中微子

基本粒子大全，最下面一行左边三种就是中微子

中微子是已知的不可再分的基本粒子之一，其余基本粒子是原子内部的夸克、胶子、电子、W/Z玻色子、光子等，中微子基本上不与这些粒子发生作用，也不与这些基本粒子组成的质子、中子、原子发生作用。中微子的研究是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科，有大量谜团尚未解开。从上世纪八十年代开始，目前已经有四位研究中微子的科学家获得了诺贝尔物理学奖。

三种中微子是可以互相转化的

中微子是自旋1/2且不带电荷的一种费米子，中微子不带电且质量极小，其中电中微子质量比电子小的多，约百万分之一左右，其速度略低于光速，与其他物质的相互作用十分微弱。目前已经发现3种中微子，分别是电子中微子Ve、缪中微子Vμ、以及陶中微子Vτ，并且每一种类型都有一个反粒子，即反中微子。我们就发现太阳释放出来的电子中微子Ve是理论估计值的1/3，这就说明有2/3的电子中微子Ve不知去向了，原因是是电子中微子在飞行的过程中，不停地在变换，一会变成缪子中微子Vμ，一会变成陶子中微子Vτ，因此我们检测到的电子中微子Ve变少了，这一点类似于不同夸克之间的味变，上述实验说明三种中微子是可以来回相互转变的。

来自太阳核聚变产生的中微子

中微子在自然界广泛存在，其来源主要是宇宙中的恒星聚变产生的辐射。比如太阳内部核反应产生大量中微子，通过辐射到达地球，我们的身体每时每刻，每秒钟都有来自太阳的约1000万亿个中微子穿越身体，我们毫无感觉，中微子穿越地球甚至大型恒星都毫不费力，其原因就是中微子根本不与任何物质发生作用。

该实验已经被科学家证实，简单地说就是在地球相对的南北半球两侧同时放置探测器，如果均检测到来自宇宙的陶中微子Vτ，说明其确实穿越了地球。

自然界中的中子衰变产生中微子

中微子另外一个来源就是来自原子核内的弱力衰变。中微子只参与弱力作用，粒子间的各种弱相互作用都会产生中微子，当一个质子变成一个中子时，必定伴随产生一个电子中微子；而中子β衰变时，当一个中子变成一个质子时，必定同时要产生一个电子和中微子：中子→质子 + 电子e + 中微子Ve。

中微子被认为不参与强力作用、电磁力作用和万有引力作用，就是说上述三种作用对中微子几乎没有任何影响。由于弱相互作用的范围很小，因此中微子可以几乎不受阻碍地穿过物质。太阳产生的中微子能量为几个MeV（百万电子伏），大约需要一光年（10万亿公里）的铅才能将其挡住一半。因此探测中微子是非常困难的，需要很大的探测器或非常高的人工束流。

粒子左旋和右旋，直线箭头代表粒子运动方向，旋转箭头代表粒子的旋转方向

中微子都是左旋（或称左手性），没有右旋（或称右手性）中微子，而反中微子都是右旋，没有左旋反中微子。这就是宇称不守恒，相当于粒子照镜子不能镜像对称。按照量子场论和弱电统一理论，所有的粒子获得质量的方式都是通过与希格斯场耦合获得的，这些粒子在于希格斯粒子的碰撞中获得了质量，而中微子却不能通过希格斯机制获得质量。一个粒子想要获得质量，它就必须与希格斯场耦合，而与希格斯场耦合的条件就是必须既有左旋的波函数又有右旋的波函数，而产生质量的希格斯粒子就是有左右两个旋向。但是我们发现中微子只有左旋，少了右旋，所以这个耦合就无法正常进行，因此中微子没办法通过希格斯机制获得质量。

中微子的跷跷板理论，轻的代表已发现的很轻的中微子，重的代表未发现的较重的惰性中微子

为了解释中微子质量来源和为什么它具有很小的质量，很多研究中微子的科学家，都比较相信一种叫“跷跷板机制”的理论，而且还建立了数学模型。在这个理论中，引入了很重的尚未发现的中微子。我们现在知道，可见的物质只占宇宙总能量的5%，暗物质占27%，其他都是暗能量，但暗物质粒子和暗能量还没有被找到。如果存在很重的中微子，就很可能是暗物质的组成成分；也有科学家认为其质量稍微轻一点，但比常规的三种中微子重的惰性中微子，也可能是所谓的“温暗物质”。

“跷跷板机制”就像图中这个跷跷板：轻的一端是观察到的中微子，重的一端是假设的中微子。这两种粒子的量子态是混合的，这意味着一个粒子可能会振荡到另一种粒子中。这种混合导致两个参与者的质量之间呈反比关系：假设的粒子越重，观察到的中微子越轻。因此，尚未发现的这种较重的惰性中微子，已经成为暗物质的重要“候选人“之一。

我国自主研发的大亚湾中微子探测器

中微子不与其它粒子作用，也不与除了弱力场外的其它能量场耦合，具有特立独行的个性。而且中微子极难检测到，我们想到的办法是将中微子探测装置埋在了地层深处，一般深达1000米以上。在这种深处，一般带电粒子早就会与其他物质发生反应，其他的宇宙辐射就完全过滤掉了，而中微子可以任意穿越地球，因此再深对它都毫无影响。即便如此，检测到中微子的概率也为一百亿分之一。

可能有人会说，中微子与构成生命的原子核没有什么关系，研究这些用途不大。这种想法目前阶段看可能是对的，但是如果中微子真的是暗物质粒子的话，目前的研究就非常有意义。因为早就有科学家设想将暗物质和暗能量转化成我们可以利用的能量，这样我们不仅可以利用暗能量为宇宙飞船进行加速，还可以利用暗物质和暗能量在外行星比如火星建立人类居住区，甚至可以将其直接用于地球以缓解能源紧张的问题。

虎丘云岩寺古塔，世界第二高斜塔

相信随着科学技术的不断进步，人类有可能发现右旋中微子，那么“跷跷板机制”理论可能会失效，而经典的希格斯场机制会重新诠释中微子的质量来源，毕竟希格斯理论被认为是适用于整个宇宙的。科学研究就是这样，对于未知领域先不断的去做理论假设，然后不断的通过实验去否定，然后再次重新假设，如此循环，直到找到正确的理论。

西湖断桥，荷花盛开