中微子是自然界中最神秘和最迷人的粒子之一。它們沒有電荷，質量很小，只與物質存在弱相互作用。它們在各種核和天體物理過程中產生，如太陽、超新星和宇宙射線。它們可以穿越宇宙而不被任何東西阻擋或偏轉。它們也非常豐富：每秒鐘有大約1000億個中微子穿過你身體的每平方厘米。

中微子的想法

中微子的故事始于核物理學中的一個難題。在20世紀初，科學家發現一些核可以發生一種叫做β衰變的過程，在這個過程中它們發射一個電子并轉變為另一個核。例如，碳-14可以通過發射一個電子衰變為氮-14。

根據能量和動量守恒，電子應該有一個固定的動能，等于初始和末態核之間的質量差。然而，實驗表明，電子有一個連續的能量譜，直到一個最大值，這意味著在衰變過程中有一些能量丟失了。

這個問題困擾了物理學家很長時間，有些人甚至提出在核物理學中可能違反了守恒定律。然而，在1930年，沃爾夫岡·泡利提出了一個大膽而巧妙的解決方案。他建議在β衰變中存在另一種粒子，它是中性的、非常輕的，并且幾乎無法檢測到。這個粒子會在β衰變中與電子一起發射，并且在實驗中沒有被檢測到。

泡利在一封著名的信中向他的同事宣布了他的想法，他寫道：“親愛的女士們和先生們，我想出了一個絕望的辦法來拯救原子過程中能量守恒定律。即：可能存在一種電荷中性的粒子，我將稱之為中子（因為它們對化學家來說是中子），它們具有1/2的自旋并服從不相容原理，并且與光子不同的是，它們不以光速運動。”

“這些中子的質量應該比電子的質量少好幾個數量級，否則它們的存在早就被其他效應揭示出來了。這些中子必須與電子一起在β衰變過程中發射；它們不能直接電離氣體原子或影響感光板；它們穿透物質的能力非常大；它們的壽命必須至少與原子的壽命相當。”

你可以看到泡利對他的提議非常謹慎和謙虛，他甚至稱之為一個“絕望的辦法”，并承認它看起來“相當不可能”。他沒有期望他的信被他的同事們認真對待。然而，他的信卻成為了物理學史上最重要的文件之一。他的想法很快被恩里科·費米接受，后者基于泡利的中子假設發展了一種β衰變理論。費米還給這個粒子起了一個新名字：中微子，意思是“小中性粒子”。

中微子的發現

下一個挑戰是實驗上檢測中微子。這不是一件容易的事，因為中微子非常難捉摸，只與物質弱相互作用。費米估計，一個中微子可以穿過一光年厚度的鉛而不被阻止。那么，如何捕捉這樣一個鬼魅般的粒子呢？

第一次成功檢測中微子是由克萊德·科萬和弗雷德里克·雷恩斯在1956年完成的。他們使用了一個核反應堆作為反中微子（中微子的反粒子）的源。他們還使用了一個大型水箱作為探測器，其中包含了兩種化學物質：氯化鎘和碘化鈉。

他們想要觀察逆β衰變過程，其中一個反中微子與一個質子相互作用，并產生一個正電子和一個中子。正電子會很快與水中的電子湮滅，并產生兩個伽馬射線。中子會被鎘核俘獲，并發射另一個伽馬射線。伽馬射線會激發碘化鈉晶體，使其發出閃光。通過檢測這些閃光，科萬和雷恩斯可以推斷出反中微子的存在。

科萬和雷恩斯在南卡羅來納州薩凡納河工廠進行了他們的實驗，他們把他們的探測器放在一個核反應堆附近。他們每小時觀察到大約三個反中微子事件，這與他們的理論預測一致。他們在一封電報中向泡利宣布了他們的發現，寫道：“我們很高興地通知你，我們已經通過觀察質子的逆β衰變，明確地檢測到了裂變碎片產生的中微子。”

科萬和雷恩斯于1995年獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他們的開創性工作。

中微子的家族

科萬和雷恩斯檢測到的中微子與電子相關，因此被稱為電子中微子。然而，很快就清楚了，自然界中還有更多類型的中微子。

1962年，萊昂·萊德曼、梅爾文·施瓦茨和杰克·斯坦伯格在布魯克海文國家實驗室進行了一個實驗，他們使用了一束質子來產生π介子，這是由夸克組成的粒子。π介子衰變為μ子（它是電子的更重的表親）以及μ子中微子，它與電子中微子不同。μ子中微子被一個火花室探測到，它記錄了它們與物質相互作用時的軌跡。

萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格表明，μ子中微子在與物質相互作用時不產生電子，而只產生μ介子。這意味著μ子中微子與電子中微子不同，并且有自己的身份。他們還表明，每種類型的中微子都有一個守恒定律：電子中微子的數目減去電子反中微子的數目是恒定的，μ子中微子減去μ子反中微子也是如此。

萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格于1988年獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他們發現了μ子中微子。

1975年，馬丁·佩爾和他在斯坦福直線加速器中心的合作者發現了另一種與電子和μ子相關的粒子：τ輕子，它比μ介子更重。這暗示著可能存在另一種與τ輕子相關的中微子：τ中微子。

τ中微子最終于2000年由費米國家實驗室的DONUT合作組檢測到，他們使用了一束質子來從K介子和粲夸克產生τ中微子。τ中微子被一個乳膠探測器檢測到，它記錄了它們與核相互作用時的情況。τ中微子產生τ輕子，它衰變為各種粒子，在乳膠中留下特征性的標記。

DONUT合作組證實了τ中微子與電子和μ子中微子不同，并且有自己的守恒定律。他們還完成了三個輕子家族的畫面：每個家族由一個帶電輕子（電子、μ子或τ輕子）和一個中性輕子（電子中微子、μ中微子或τ中微子）組成。

中微子的質量和振蕩

關于中微子的一個最有趣的問題是它們是否有質量。在描述所有已知基本粒子及其相互作用的粒子物理學標準模型中，中微子被假設為沒有質量。然而，有理由相信這個假設可能是錯誤的。

一個理由是，有一些標準模型的理論擴展預測中微子有非常小但非零的質量。這些擴展是由一些標準模型無法解釋的現象激發的，如物質-反物質不對稱的起源、暗物質和暗能量的本質，以及所有力的統一。

另一個理由是，有一些實驗證據表明，中微子有質量并且可以在運動過程中改變它們的身份。這種現象被稱為中微子振蕩，它意味著中微子不是純粹的電子、μ子或τ中微子的狀態，而是這些狀態的疊加。觀察到一個中微子作為電子、μ子或τ中微子的概率取決于它的能量、距離和質量差。

第一個證明中微子振蕩的證據來自對太陽中微子問題的觀察。太陽從其核心的核聚變反應中產生大量的電子中微子。這些中微子可以被地球上各種實驗探測到，如南達科他州霍姆斯泰克實驗，它使用了一個氯罐來捕獲電子中微子并產生放射性氬原子。然而，實驗發現檢測到的電子中微子的數量比太陽模型預測的要小得多。這意味著要么太陽模型是錯誤的，要么一些電子中微子已經變成了其他類型的中微子，沒有被檢測到。

太陽中微子問題是通過發現中微子振蕩來解決的。在2001年，加拿大薩德伯里中微子觀測站（SNO）不僅測量了來自太陽的電子中微子，還測量了μ子和τ中微子。他們發現，總數目與太陽模型一致，但大約三分之二已經振蕩成μ和τ中微子。

第二個證明中微子振蕩的證據來自對大氣中微子異常的觀察。大氣中產生了大量的μ子中微子和反中微子，它們來自于宇宙射線與空氣分子的相互作用。這些中微子可以被地球上各種實驗探測到，如日本的超級神嶺實驗，它使用了一個大型水箱來觀察μ子中微子和反中微子產生的切倫科夫光。然而，實驗發現μ子中微子和反中微子的比例與預期值不同，并且它取決于中微子的方向和能量。這意味著要么宇宙射線模型是錯誤的，要么一些μ子中微子和反中微子已經變成了其他類型的中微子。

大氣中微子異常也是通過發現中微子振蕩來解決的。在1998年，超級神嶺實驗表明，在大氣中產生的μ中微子和反中微子已經振蕩成τ子中微子和反中微子。這證實了中微子有質量并且可以改變它們的味道。

第三個證明中微子振蕩的證據來自對反應堆中微子異常的觀察。核反應堆從核裂變反應中產生大量的電子反中微子。這些反中微子可以被反應堆附近的各種實驗探測到。然而，實驗發現檢測到的電子反中微子的數量比反應堆模型預測的要小。在2002年，KamLAND實驗表明，由反應堆產生的電子反中微子已經振蕩成其他類型的反中微子。

發現中微子振蕩是粒子物理學的一個重大突破，它為研究中微子的性質打開了一個新的窗口。2015年，中微子振蕩的研究也獲得了諾貝爾物理學獎。它也提出了許多新的問題，例如：中微子的質量和質量差的確切值是多少？決定中微子振蕩概率的混合角和相位的確切值是多少？是否存在除了已知的三種之外的其他類型的中微子？是否存在與中微子振蕩相關的其他現象，如物質效應、CP破壞或無味中微子？

這些問題目前正在世界各地的各種實驗中進行研究，中微子物理學的未來是光明和令人興奮的。