【每日科普】中微子：神秘的“隐形人”

中微子，是一种基本粒子，不带电，个头小，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐形人”。

科学界从预言中微子的存在到发现它，用了20多年的时间。普通人从未见到过这种神秘粒子的“真身”，其实它每时每刻都在我们身边。它可以轻易穿透任何物质，每秒会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。当然，我们毫发无损，因为，它们太小了！

由于中微子与其他物质的相互作用极其微弱，所以检测中微子非常困难。正因如此，在所有的基本粒子中，人们对中微子了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子的物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然性放射、超新星爆发、宇宙射线等等。

“撼动”宇宙的小粒子

中微子与其他物质的作用如此微弱，那么研究中微子是不是毫无用处呢？答案并非如此！比如，关于中微子的研究，使中微子天文学成为目前非常前沿和热门的研究领域。就拿天文学家手里的“武功秘籍”——宇宙微波背景辐射来说，它其实就是宇宙大爆炸的余热。在宇宙大爆炸之后38万年的时候，才开始在宇宙中传播。也就是说，通过宇宙微波背景辐射，人类可以知道宇宙大爆炸38万年之后的历史，但前38万年的历史，我们是没办法知道的，这就可以通过观测中微子来实现。

中微子的观测能够让我们更加了解微观时间的物理现象，同时帮助我们完善天文学中恒星、黑洞的相关模型，还能帮助我们掌握更多有关宇宙起源和演化的信息。

中微子究竟有没有质量？

质量，这个我们平时不以为意的物理性质，却是中微子极难解的谜题之一。中微子究竟有没有质量呢？

▲加拿大萨德伯里中微子天文台（图片来源：萨德伯里中微子天文台）

2012年，著名的中国物理学家王贻芳院士领导的大亚湾中微子实验国际合作团队，宣布发现了一种新的中微子振荡，这表明所有已知的中微子都有质量。2015年的诺贝尔物理学奖被授予了日本物理学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald），表彰他们发现了中微子振荡，而中微子振荡正是中微子有质量的直接表现。2020年，科学家宣布，中微子的质量不超过1.1电子伏特，约为电子质量的十五万分之一。

中微子有三“味”

那么，中微子的质量到底如何测得呢？这是一个相当复杂的问题！为什么呢？

梶田隆章团队的实验和阿瑟·麦克唐纳带领的研究小组的实验一同发现了中微子振荡的新现象，证明长期被认为没有质量的中微子，其实是有质量的。

▲3种中微子示意图

那么，这3种中微子（电子中微子、μ中微子、τ中微子）相对应的也有3种中微子质量（第一、二、三种质量本征态）。但它们之间并不是一一对应的关系，而是存在某种“混合”。比如，电子中微子是以某种方式将第一、二、三种质量本征态“混合”在一起。

关于中微子，还有很多疑问需要科学家们去解决。相信破解这些“秘密”之后，一定能让物理学取得更大的进步！