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中微子的发现的过程及其在现代物理学中的意义

1.1中微子的提出

要追溯中微子发现的经过，还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起.当时科学家们发现，在量子世界中能量的吸收和发射是不连续的.不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的.这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的.奇怪的是，物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了.

瑞士物理学家泡利在1931年最先假设有种新粒子“窃走了”能量，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的.1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”.1933年意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论，指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用——弱相互作用.β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子.他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律，β能谱连续之谜终于解开了.

近二十多年来，太阳、大气、反应堆和加速器的中微子振荡实验提供了大量确凿的证据表明中微子有质量.然而，粒子物理学标准模型却预言中微子质量为零.这意味着中微子质量的产生必然要求引入超出标准模型的新物理.粒子物理标准模型取得了巨大的成功.它成功地解释了强、弱以及电磁相互作用的规范相互作用本质以及弱相互作用规范对称性的破缺，并预言了轻子和夸克的质量产生机制.目前，大多数的高能物理实验都与标准模型的预言符合得很好.中微子的质量起源是唯一确切证明标准模型还不完善的证据.在标准模型中，带电费米子通过与希格斯粒子的汤川耦合获得质量，但是这种耦合过程要求费米子手性的改变，而标准模型中并不存在对应的右手中微子.另一个人们还需要考虑的问题就是，为什么中微子的质量上限远小于最轻的带电轻子——电子的质量.

如果中微子有引力质量，那么根据爱因斯坦的质能方程，必须把能量E*的一部分用来产生中微子，这样留给电子的能量就比E*小.泡利推算出中微子是没有质量的观点是错误的，由于中微子的引力质量非常小，因此在埃利斯的实验中发现电子也偶尔确实会有能量为E*的情况.泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子.就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的.

1.2中微子的发现

在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验.1941年王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》杂志上.1942年6月该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是当年世界物理学界的一件大事.但当时的实验不是非常成功，直到1952年艾伦与罗德巴克合作，才第一次用成功地完成了实验，同一年戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证证明中微子不是几个而是一个.在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与质量相互作用引起的反应，直接探测中微子.由于中子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的.直到1956年这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成.首先实验需要一个强中微子源，核反应堆就是合适的源.这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变，分裂成碎片时又放出中子，从而使其再次裂变.裂变碎片大多是β放射性的，反应堆中有大量裂变碎片，因此它不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源.

因为中微子反应几率很小，要求用大量的靶核，莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了两个装有氯化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中.这种闪烁液体是是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光.由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在.

其检测机制是：1）核反应堆里的beta衰变会产生中微子和反中微子（泡利的假设）；2）一部分反中微子应该会被质子俘获而变成中子和正电子；3）正电子会碰到电子而湮灭，产生一对伽玛光子；4）中子会被镉核子俘获而产生光子（比正负电子对湮灭约晚几个微妙）.这样，这一理论机制应该意味着同时有三个光子的产生.所以，实验物理学家就用一种“符合电路”检测三个光子同时出现的事件.只要同时检测到了三个光子，就认为檢测到了反中微子.但是其中的每一步理论预言的反应是无法单独检测的.

1978年斯坦福大学物理学家马丁·佩尔和同事发现了τ轻子，在理论上这意味着τ中微子的存在，因为中微子是轻子的“前辈”.但是由于τ中微子几乎没有质量，又不带电，且几乎不与周围物质相互作用，因而一直难寻踪迹.

1982年费米实验室的科学家用实验支持了τ中微子存在的假设.1989年欧洲核子研究中心科学家证实τ中微子是标准模型中的第三个，也是最后一个轻中微子.1980年前苏联的科学家曾对氚b能谱的测量推得中微子有静止质量.1998年6月，日本科学家经过一段时间的观测后，也证实了中微子具有静止质量.根据电子、放射性核和子核的旋转情况，泡利推算出中微子具有自旋，是左手征的.量子力学中，场的能量集中在波包中，electricfield的能量集中在光子中，因此引力场的能量应当集中在中微子中.光波是electromagneticfield（即电磁质量）的传播，机械波是中微子（即引力质量）的传播.它们具有共性.

1.3现代物理学对于中微子的研究

宇宙线在进入地球大气层的过程中，会发生广延大气簇射，产生大量电子中微子、μ 中微子及其反粒子，这种由宇宙线产生的中微子被称为大气中微子．由于中微子不带电，运动速度快，穿透力强，只参与弱相互作用，反应截面小，对其进行探测极为困难；而且中微子信号极易湮灭在众多的宇宙线信号中，为了降低宇宙线本底对中微子探测的影响，中微子实验装置一般位于地表深处．宇宙线研究，在一定程度上推动了中微子天文学的发展．２００２年诺贝尔物理学奖涵盖了宇宙粒子和辐射的发现与探测，开创了中微子天文学和Ｘ射线天文学两个新的研究领域，为观测宇宙提供了新的视角．奖项的一半颁发给美国物理学家戴维斯和日本物理学家小柴昌俊，表彰两人分别在太阳中微子缺失和超新星（ＳＮ１９８７Ａ）爆发方面做出的贡献．奖项的一半颁发给意大利裔美国物理学家贾科尼（Ｇｉａｃｃｏｎｉ），表彰他在天体物理学领域的创新性贡献．

新华社东京2006年2月15日电（记者钱铮）日本、美国等8个国家的科学家15日正式启动“冰立方”计划，准备借助南极点附近的冰观测宇宙的高能基本粒子———中微子.共同社15日援引日本千叶大学副教授吉田滋的话说，“冰立方”计划将依靠4800个检测仪，观测中微子和冰撞击时所产生的微弱的光，目前安装完成的540个检测仪已经投入观测工作.目前，8个国家的科学家正在南极点附近的冰层垂直向下挖洞，最深达冰面以下2500米.他们将间隔17米设置的60个检测仪用电缆连接起来，并把电缆下放到冰洞中深1400米至2500米的位置.科学家们打算在六角形的广阔冰层上，以125米的间隔设置80个这样的冰洞.到2009年，科学家们计划在南极建成体积为1立方公里的中微子观测站———“冰立方”.它的体积将是目前世界最大的中微子观测装置———日本的“超级神冈”体积的2万倍，主要观测来自北极方向穿过地球的中微子.据悉，“冰立方”计划将耗资约300亿日元（约合2．57亿美元），其中美国承担80％，剩下的20％由日本、英国、德国、比利时、荷兰、瑞典和新西兰7个参与国分担.中微子是一种非常小的基本粒子，广泛存在于宇宙中.它可以自由穿过地球，不与任何物质发生作用，因而难以捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”.中微子研究是当前物理学研究的一大热点，美国科学家雷蒙德•戴维斯和日本科学家小柴昌俊因为在探测宇宙中微子方面取得的成就而获得2002年诺贝尔物理学奖.

据新华社北京2006年6月8日电　中国和美国科学家将联手在大亚湾核电站进行大规模的粒子物理实验.这项耗资近5000万美元的实验是中美两国迄今最大的基础科学研究合作项目.主持这个项目的中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长陈和生8日在接受新华社记者专访时说:“国际合作组将在大亚湾核电站附近设置3个探测器进行中微子测量.”他说:“我们将在2008年建成隧道，2009年安装探测器，2010年开始获取数据.”根据计划，中方将投入1.5亿元人民币(约合1870万美元)，负责基本建设和建造一半探测器；美方投入2500万至3000万美元，负责建造另一半探测器.陈和生说:“比较国际上目前进行的太阳、大气、反应堆和加速器这几类中微子实验，反应堆中微子实验最有可能获得突破性成果.”大亚湾与岭澳核电站群目前共有4个反应堆.大亚湾核电站紧邻高山，可以提供中微子实验必需的宇宙线屏蔽，这是一个巨大的优势.世界上其他可用于反应堆中微子实验的核电站附近都缺乏足够的岩石覆盖.陈和生说:“我们已完成大量深入研究和计算，并多次实地考察，提出利用大亚湾反应堆群精确测量中微子混合角θ13的设想.这是目前世界上精度最高的实验方案.”中微子探测器为半径2.6米、高5米的圆柱体，每个重约100吨，里面分隔成3层同心圆柱.3个探测器将分别放置在山腹内，最近的距核电站360米，最远的2000米.一条隧道从地面进入山腹，连接3个放置探测器的地下实验室.联合投资这个重要实验并将参加合作研究的机构包括美国的布鲁克黑文国家实验室、劳伦斯·伯克利国家实验室.陈和生说:“大亚湾反应堆中微子实验投入相对较少而物理意义重大，有可能获得重大创新成果，这是中国基础科学研究领域的一次重大机遇.”