微观粒子操纵「垂钓幽灵粒子中微子的理论研究和科学探测它会改变宇宙模型吗」

今天我们讨论一个很前沿地科学话题，到底有多前沿呢？先听听它所拥有的头衔：宇宙深处的神秘信使、幽灵粒子、暗物质已知的候选者，看到这些名词，估计伙伴们已经知道它是谁了。对，没错！它就是一秒钟能够穿透你大拇指一万亿次的奇异粒子——中微子。哈哈，有没有被震惊到，不过它的神奇之处才刚刚开始，我们就从一下几个方面开始今天的探秘之旅吧！

太阳内部发生了什么？数据出现了什么异常？泡利和费米怎样解释这种异常？理论有了，我们开始垂钓中微子吧。太阳中微子问题和中微子的风味进一步研究，总结：中微子对我们人类科技生活和宇宙模型的影响

带着这些疑问和期待我们一起垂钓中微子！

太阳内部发生了什么？太阳和中微子有什么联系

太阳内部的横截面

要想了解中微子，我们还是要先从我们的太阳说起，直到上个世纪初还没有人能解释太阳内部和周围的发生着什么。爱因斯坦通过他最著名的方程式，E=mc²表明质量和能量可以互相转化。一个微小的物质微粒蕴含着巨大的能量。这个想法证明了太阳的核心发生着核聚变反应，氢原子核发生聚变反应形成氦原子核，在这个过程中释放出大量的能量来对抗恒星的重力坍缩。这种反应产生了巨大的能量，整个太阳系在这种能量上已经维持了大约45亿年。

我们以光子的形式接收来自太阳的能量。但是，这些光子来自太阳的表面和大气层。那我们是怎么知道太阳内部发生了什么?我们怎样才能证明太阳内部存在核聚变呢?答案就在一种奇怪的、几乎无法探测到的粒子中微子身上。

原子核的正电子/β衰变

在原子核中，如果两种核素（质子和中子）的数量不平衡，那么原子核就不稳定，因此它会释放出能量粒子来变得更加稳定。在19世纪早期，人们发现，如果只有原子核和电子参与到原子的β衰变中，能量和动量守恒就会出现异常。

让我们来考虑一个较重的原子核X， 质量数为A和质子数为Z。这里，质子数大于中子数，核素的不平衡使原子核变得很不稳定。原子核将会通过弱相互作用（自然界四大基本力之一）经历一个正电子衰变的过程，将质子转化为中子，从它的核中发射出一个正电子，成为更稳定的原子核Y。正电子通常用β ⁺ 表示。

原子核衰变

正电子是电子的反粒子(因此也称为反电子)，与电子质量相同，电荷相反。反粒子的概念是保罗·狄拉克的革命性著作，正电子是狄拉克本人提出的第一个反粒子概念。

质子和中子由一些叫做夸克的基本粒子组成。夸克有六种类型或风味，即上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子有两个下夸克和一个上夸克组成。

当原子核X经历正电子衰变时，弱相互作用将上夸克转化为下夸克，从而将质子转化为中子，反之亦然。这就是为什么质子数从Z减少到Z-1而质量数保持不变的原因。在这个过程中产生了一个正电子。正电子是在原子核内部产生的，由于它与带正电荷的原子核之间的静电斥力而被逐出原子核。这个过程被称为原子核X的放射性衰变。

原子核衰变后的能量异常

最初，原子核X处于静止状态，动量为零。因此，经历β衰变后的原子核Y和β ⁺应该在相互相反的方向上具有相等的动量，以保持动量守恒，即Pᵧ=-Pᵦ₊。让我们假设，Pᵧ=-Pᵦ₊=P。

过程中释放的能量是两种产物的动能之和

由于两种产物具有相同的动量，因为正电子的质量较小，所以正电子几乎携带了所有的动能。因此，过程中释放的能量大约等于正电子所携带的动能，即常数Q=Kᵦ₊(请悉知动能和动量的区别)

然而，实验结果显示出一个连续分布的能量值和正电子的发射数量关系如下图所示：

正电子衰变过程中释放的正电子能谱

从图中可以明显看出，大多数正电子携带的能量都比Q小得多，能量为Q的正电子数量实际上为零。这意味着正电子携带的能量是可变的，而不是理论计算预测的常数。

有一种类似的衰变过程，中子被转换成质子，从原子核中喷射出一个快速运动的电子。这些快速移动的电子被称为β⁻粒子，因此衰变过程通常被称为β⁻衰变。β粒子通常用表示为β⁻。在这个过程中也观察到了类似的能量异常。

那么，如何解释这种异常呢？泡利的提议

为了调和这一反常现象，沃尔夫冈•泡利(Wolfgang Pauliin)在上世纪30年代提出了一个可以完美解决这一反常现象的想法。他提出在这个过程中会产生第三个静止质量为零、电荷为零的粒子，它携带着衰变中缺失的能量。这种新粒子补偿了衰变过程中能量和动量的异常。

费米为中微子正名

1933年，物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)提出了一种β衰变理论，通常称为费米相互作用。在这个理论中，费米第一次为正电子衰变过程中产生的新粒子正名为中微子，用ν表示。

在β⁻衰变过程中也会产生类似的粒子，通常被称为反中子，即中微子的反粒子。反中微子用（ν-上标）表示。

从下图可以很好地理解整个β衰变过程:

β⁻衰变图示

中微子是一种具有独特特性的粒子。质量极低(最初它们被认为是无质量的)，没有电荷。它们很少与普通物质发生相互作用。由于中微子的非交互性，在你看这篇文章时你已经被中微子穿透无数次了，它能轻松穿透地球都不带偏转的，什么X射线，γ射线简直弱爆了。因此，探测中微子是一件极其困难的事情，所以中微子也被称为自然界的幽灵粒子。

中微子的探测

1942年，中国核物理学家王淦昌提议中微子可以在一个非常罕见的过程中被探测到，称为电子俘获。在这个过程中，一个缺中子的原子核从原子的内壳层(通常是K或L)吸收电子，并将质子转化为中子，从原子核中会释放出中微子。释放的中微子携带着反应中产生的所有衰变能量，这与β衰变中的情况不同。

1956年，物理学家克莱德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德里克·莱恩斯(Frederick Reines)在他们著名的考恩-莱恩斯中微子实验中首次发现了中微子，并因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。在本实验中，利用衰变在核反应堆中产生的反中微子与质子发生反应，使质子转化为中子释放正电子。

正电子（β ⁺）和一个电子以伽马射线的形式相互湮灭释放能量，这种射线是可检测到的。同样，中子也被俘获在释放伽马射线的原子核中。电子湮灭和中子俘获的巧合是反中微子相互作用的一个标志，证明了反中微子的存在。

太阳中微子问题和中微子味道

太阳中微子是太阳在一系列核聚变反应中产生的中微子。这些中微子的主要来源是质子-质子链反应。

太阳中微子是地球上从任何自然来源接收到的最大数量的中微子。事实上，每秒钟就有一万亿中微子穿过我们的拇指。那么，如何检测和计算这些到达地球的太阳中微子的数量呢?

太阳中微子

在20世纪60年代由雷蒙德·戴维斯和约翰·N·巴赫克进行的Homestake地下矿井实验，一个装满了富含氯的液体的大容器——全氯乙烯，被建造在地下1500米深处(以保护实验不受宇宙射线的影响)。因为中微子与物质相互作用的可能性非常低，所以实验所用的液体量非常大，以便最大限度地提高中微子相互作用的可能性。来自太阳的中微子很少一部分与氯-37原子核发生相互作用，并将其转化为放射性同位素氩-37。

通过收集形成的氩-37原子，并计算氩-37原子的数目，确定了对太阳中微子的成功探测，同时也计算了中微子的数目。

然而，实验发现，这些中微子的数量只有理论计算的三分之一。中微子计数上的这种差异通常被称为太阳中微子问题，（下文会解释）但这是人类第一个成功探测和计数太阳中微子的实验。

几年后，人们发现除了通常已知的电子中微子之外，还有另外两种风味或类型的中微子，即μ介子中微子和τ中微子。后来人们假定中微子具有非零的静止质量，这与几十年前的看法刚好相反，中微子的每一种风味都略有不同，但质量却相差无几。根据宇宙的标准模型，太阳中微子是电子中微子，理论上只有这些风味的中微子存在。然而，目前已经观察到中微子的第四种风味可能存在，它被命名为S中微子——惰性中微子，这可能导致未来宇宙标准模型的修订。

中微子的味

1998年，在日本超级神冈天文台进行的实验证实，从太阳发出的中微子在飞往地球探测器的图中会改变风味（类型）。一些来自太阳的电子中微子在到达地球之前会转变成另外两种风味。由于风味的变化，Homestake地下矿井实验中的探测器无法检测到所有的太阳中微子，这为解决太阳中微子问题提供了一个令人满意的解决方案。

日本超级神冈中微子天文台

美国科学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）、日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美国科学家里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi)，分享了2002年诺贝尔物理学奖，因为他们在探测太阳中微子方面做出了贡献。

总结：进一步研究，中微子会为我们带来什么？

在这些发展之后，人们对中微子研究投入了更多的精力。对这种特殊粒子的独特性做了许多小型到大型实验，希望能更好地了解它的行为。德国的卡特琳实验用世界上最大的光谱仪在2018年开始收集数据，以确定电子中微子的质量。

正在运输的卡特林实验的巨型光谱仪

2013年，多个国家合作进行的T2K实验证实了中微子振荡理论。

虽然中微子是一种微小的质量粒子，但它们的数量之多可以对其他物质产生巨大的引力。因此，目前确定的三个中微子是暗物质中唯一已知的基本候选粒子。

当宇宙射线与地球大气中的原子核相互作用时，会产生一些粒子，例如正电子，其中也包括中微子。1965年，在印度科拉尔金矿的地下实验室中，首次探测到宇宙射线与大气原子核相互作用产生的大气中微子。

中微子是天文学中的一个重要粒子。太阳核心不能用普通的电磁射线成像。因为大部分的辐射都无法穿透高密度和高压富含带电离子的环境。由于中微子的低质量和零电荷，它们很容易穿透太阳的外层到达地球。这些中微子可以用来成像太阳的核心。由于同样的原因，中微子在超新星和星系核的观测中也有重要的用途。

太阳中微子的发射

中微子是探测太阳系外天体物理源的理想候选粒子，因为它们是唯一已知的外太空粒子，在穿越太空时不会显著衰减。

2012年，一组美国科学家通过一块237.744米厚的岩石传输了一条连贯的中微子信息，这标志着中微子首次被用于通讯。它可能会在未来导致中微子通信的诞生，在那里二进制中微子信息可以通过密度更大的材料，如穿越地球核心发送中微子信息。

位于南极的冰立方中微子观测站使用了一个1000立方米的冰块，整个体积都装有光电倍增管，用于探测宇宙中微子。

南极洲冰立方中微子天文台

2018年，该团队宣布他们已经探测到高能中微子击中了他们的探测器，这些中微子来自距离地球37亿光年的拉扎尔TXS 0506 056，位于猎户座的方向。

中微子是宇宙中的一种奇异粒子，在未来可能关于中微子会有许多神奇的发现。它是一个从深空到地球的信使，掌握着宇宙许多奥秘的钥匙，我们期盼着中微子随着时间的推移会给我们带来意想不到的惊喜。每隔一段时间，全球不论是哪个科学领域都会有新的发现，这些发现会为我们揭开一个已知的自然之谜。但是，他们又会对我们理解自然规律提出了新的问题。不过这就是科学的诱人之处，一个不断循环和揭开奥秘的过程，但科学是不断朝着更好地理解宇宙的方向前进。这一点令我们感到欣慰，我们终有一天会知道这一切到底是怎么回事。

别小看！宇宙网中纠缠的中微子会改变宇宙结构！

就像苍蝇被困在光滑的蜘蛛网中一样，被称为中微子的幽灵粒子被缠绕在宇宙的星系网络中。它们几乎没有质量，它们像亚原子幽灵一样穿过其他物质，几乎不与之相互作用。然而，新的研究揭示，这些神秘的粒子已经从根本上改变了宇宙的进程。

通过观察100多万个星系，科学家们确定了中微子的引力是如何微妙地影响大爆炸后星系首次合并的位置。这些结果让我们得以一窥科学家们认为大爆炸之后最早可观测到的时刻是什么。研究报告的撰写者之一、加州大学圣地亚哥分校的宇宙学家丹·格林说：

博科园-科学科普：这一新发现“增强了我们的信念，即我们真正理解了宇宙是如何在大爆炸后大约一秒钟内演化而来的。大爆炸后不久，宇宙就变成了一团由中微子、电子、中子、质子和光子组成的混沌。一秒钟内，中微子——粒子中最轻、相互作用最少的粒子——第一个从物质中分离出来，以接近光速的速度放大到宇宙中不断膨胀的空间中。科学家们把这种第一中微子的分布称为宇宙中微子背景。快进38万年，宇宙冷却到质子和电子凝结成原子，释放出宇宙的第一束光——宇宙微波背景。当原子在引力的牵引下开始聚集在一起时，粒子向外快速膨胀的速度减慢了。

随着时间的推移，星系以更大、密度最高的团块播撒种子，最终形成了今天在宇宙中可见的星系网络。宇宙微波背景可以提供对早期宇宙中物质初始分布的一瞥。但是质子和电子并不是唯一影响宇宙结构的物质——中微子也发挥了作用。因为中微子是第一个离开粒子汤的，而且自那以后几乎没有与任何物质发生过相互作用，所以它们最终的位置与原子团稍有不同。科学家推测，这对宇宙网络的结构产生了轻微但明显的影响。通过研究120万个星系，科学家们证实中微子的引力略微改变了星系网的结构。研究结果发表在2月25日的《自然物理》期刊上。

此前，科学家们只在宇宙微波背景下间接发现了中微子的影响，这是来自物质和星系分布的第一个证据。宇宙微波背景提供了几十万年后宇宙的快照，而宇宙中微子背景则可以 重现最初的1000秒 左右，提供了对可观测宇宙的最早观察。今天，研究中微子的科学家们仍然无法发现它们，因为它们与原子、暗物质甚至其他中微子的相互作用非常微弱。这些新结果展示了中微子和物质之间微弱的相互作用，也可能帮助科学家在地球上更小的尺度上更好地理解这些难以捉摸的粒子。

洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的物理学家比尔路易斯(Bill Louis)说：中微子的大规模和小规模研究之间有着密切联系，将大规模和小规模的研究结合起来，将有助于我们更好地理解中微子和宇宙学。这个发现甚至可以帮助确定除了已知的三种中微子之外，是否还有另外一种中微子。宇宙中微子背景的存在是热大爆炸模型一个可靠预测。这些中微子是早期宇宙能量密度的主要组成部分，因此在宇宙微扰的演化中发挥了重要作用。

利用宇宙微波背景光元素丰度和各向异性测量了宇宙中微子背景的能量密度。在原始等离子体中，由于中微子密度波动所产生的声波的时间相位发生了明显变化，从而提供了一种互补、更健壮的探针。在这里，新研究报告了BOSS DR12数据的重子声学振动谱中中微子诱导相变的第一个约束条件。利用普朗克数据限制声波尺度，同时忽略宇宙微波背景中中微子的影响，发现非零相移的置信值大于95%。除了提供了一个新宇宙中微子背景测试，该研究工作是重子声学振荡信号在早期宇宙物理学中的首次应用！

博科园-科学科普｜参考期刊文献:《Nature Physics》

文: Mara Johnson-Groh/Live Science

DOI: 10.1038/s41567-019-0435-6

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物理学家捕捉到宇宙中神秘的幽灵粒子，或能加强我们对宇宙的理解

大型强子对撞机（LHC）刚刚完成了粒子物理学的一个重大里程碑。候选中微子不仅在大型强子对撞机中第一次被探测探测到，而且在任何粒子对撞机中也被探测到。用中微子子探测器FASERnu探测到的6个中微子相互作用，不仅证明了这项技术的可行性，而且为研究这些神秘的幽灵粒子，尤其是高能量粒子，开辟了一条新的途径。

美国加州大学欧文分校的物理学家乔纳森·冯说：“在这个项目之前，在粒子对撞机中还没有发现中微子的迹象。”他是FASER合作项目的共同领导人，“这一重大突破是朝着深入了解这些难以捉摸的粒子及其在宇宙中扮演的角色迈出的重要一步。”

中微子实际上无处不在。它们是宇宙中数量最多的亚原子粒子之一；但它们不带电荷，质量几乎为零，所以，尽管它们以近乎光速的速度在宇宙中穿梭，但它们几乎不与宇宙发生任何相互作用。现在有数十亿的东西在你体内流动。但对于中微子来说，宇宙的其余部分基本上是无形的，这就是为什么它们也被称为“幽灵粒子”的原因。

不过，虽然它们很少相互作用，但这并不等于从不作用。例如，南极洲的IceCube、日本的Super-Kamiokande和伊利诺斯州费米实验室的MiniBooNE等探测器，主要使用灵敏的光电探测器阵列，用来捕捉在完全黑暗的环境中中微子与其他粒子相互作用时产生的光簇。

物理学家捕捉到宇宙中神秘的幽灵粒子，或能加强我们对宇宙的理解。但很长一段时间以来，科学家们也想研究粒子对撞机产生的中微子。这是因为对撞机产生的中微子主要来自于强子的衰变，它们产生的能量非常高，但还没有得到很好的研究。探测对撞机中微子提供了在其他地方很少看到的中微子能量和类型。

FASERnu是一种粒子对撞机，铅板、钨板和乳化液层交替进行：在LHC的粒子实验中，中微子可以与铅板和钨板上的原子核碰撞，产生的粒子在乳化液层上留下痕迹，有点像电离辐射在云室中留下痕迹。

科学家兴奋不已：物理学家通过对撞机捕捉到宇宙中神秘的幽灵粒子。这些底片需要像照相胶片一样冲洗。然后，物理学家可以分析粒子轨迹，找出是什么产生了它们；以及确定它是否是中微子，以及中微子的“味道”或类型是什么。中微子有三种“口味”——电子、介子和中微子——以及它们的反中微子对应物。

在2018年进行的FASERnu试验中，在乳液层中记录了6个候选中微子相互作用。考虑到大型强子对撞机在运行过程中产生了多少粒子，这看起来可能并不多，但它为这次合作提供了两条至关重要的信息。

物理学家乔纳森·冯表示：“首先，它证实了大型强子对撞机ATLAS相互作用点的前方位置是探测对撞机中微子的正确位置。其次，我们的努力证明了使用乳胶探测器观察这类中微子相互作用的有效性。”

这是一个相对较小的装置，大约29公斤（64磅），该团队目前正在研究完整的版本，大约1100公斤（超过2400磅）。这个仪器将会更加灵敏，并且可以让研究人员区分中微子口味和反中微子口味。

他们预计，大型强子对撞机的第三次观测运行将产生2000亿个电子中微子、6万亿μ中微子和90亿个中微子，以及它们的反中微子。迄今为止，我们总共只探测到大约10个中微子，这将是一个相当大的问题。

这一合作还盯上了更难以捉摸的猎物。他们把希望寄托在对暗光子的探测上，虽然目前这只是一种假设，但它可能有助于揭示暗物质的本质。暗物质是构成宇宙大部分物质的一种神秘的、直接无法探测到的质量。

但是，中微子的探测本身就是加强我们对宇宙基本组成部分的理解的一个巨大的令人兴奋的进步。美国加州大学欧文分校的物理学家和天文学家大卫·卡斯珀指出：“考虑到我们的新探测器的力量，以及它在欧洲核子研究中心的主要位置，我们预计在下一次LHC运行中，从2022年开始，能够记录超过10000个中微子的相互作用。我们将探测到有史以来由人造源产生的最高能量的中微子。”该团队的研究发表在《物理评论D》杂志上。