中微子

1.中微子简介

    中微子是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

　　粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有12种，包括6种夸克（上、下、奇异、粲、底、顶），3种带电轻子（电子、缪子和陶子）和3种中微子（电子中微子，缪中微子和陶中微子）。中微子是1930年德国物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量似乎不守恒而提出的，五十年代才被实验观测到。

　　中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。正因为如此，在所有的基本粒子，人们对中微子了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100个。

　　1998年，日本超级神岗实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后，这一结果得到了许多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

　　由于探测技术的提高，人们可以观测到来自天体的中微子，导致了一种新的天文观测手段的产生。美国正在南极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微子，可以用来研究地球构造。

　　中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到，大小未知；其次，它的反粒子是它自己还是另外一种粒子；第三，中微子振荡还有两个参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关；第四，它有没有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。


2. 中微子简史

• 1930年，德国科学家泡利预言中微子的存在。

• 1956年，美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子，莱因斯获1995年诺贝尔奖。

• 1962年，美国莱德曼，舒瓦茨，斯坦伯格发现第二种中微子——缪中微子，获1988年诺贝尔奖。

• 1968年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，获2002年诺贝尔奖。

• 1985年，日本神岗实验和美国IMB实验发现大气中微子反常现象。

• 1987年，日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。日本小柴昌俊获2002年诺贝尔奖。

• 1989年，欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子。

• 1995年，美国LSND实验发现可能存在第四种中微子——隋性中微子。

• 1998年，日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象。

• 2000年，美国费米实验室发现第三种中微子，陶中微子。

• 2001年，加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。

• 2002年，日本KamLAND实验用反应堆证实太阳中微子振荡。

• 2003年，日本K2K实验用加速器证实大气中微子振荡。

• 2006年，美国MINOS实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。

• 2007年，美国费米实验室MiniBooNE实验否定了LSND实验的结果。

    中微子是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科，本身性质也有大量谜团尚未解开。在这一领域，大部分成绩均为日本和美国取得。1942年，我国科学家王淦昌提出利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案，美国人艾伦成功地用这种方法证明了中微子的存在。80年代，中国原子能科学研究院进行了中微子静止质量的测量，证明电子反中微子的静止质量在30电子伏特以下。

　　中微子振荡研究的下一步发展，首先必须利用核反应堆精确测量中微子混合角theta13。位于中国深圳的大亚湾核电站具有得天独厚的地理条件，是世界上进行这一测量的最佳地点。由中国科学院高能物理研究所领导的大亚湾反应堆中微子实验于2006年正式启动，联合了国内十多家研究所和大学，美国十多家国家实验室和大学，以及中国香港、中国台湾、俄罗斯、捷克的研究机构。实验 装置总投资约2.5亿元人民币，预期2010年建成。它的建成运行将使中国在中微子研究中占据重要的国际地位。