【中微子】怎样捕捉“世间最难以捉摸的粒子”？

识盈虚之有数，觉宇宙之无穷，大家好，我是昼伏夜出的叶老师，欢迎与我一起，叶观星空。

天文观测是为了获取宇宙中各种天体发出的信息。最初我们通过双眼直接巡视夜空，后来有了望远镜，我们可以看到更暗更遥远的天体。再后来有了射电望远镜，我们可以不分白天黑夜进行天文学研究。之后人类又在高原上修建了高能宇宙线观测站，可以探测到来自于深空的宇宙线粒子。

但是无论是光学望远镜，射电望远镜还是宇宙线观测，我们接收到的信息载体都是来自于天体发出的无线电波。即使是极高能的宇宙线也可能会与宇宙微波背景辐射的光子发生反应，产生新的光子，而新的光子又会与背景辐射的光子产生新的反应，从而再次产生新的光子，如此往复下去。也就是说，我们在地球上接收到的光子，很多都已经失去了最初携带的信息。

同时，星际空间中的磁场会使穿行其中的带电宇宙线原初粒子发生偏折，所以我们很难根据它们到达地球时的方向判断它们到底来自何方。

而在宇宙中，还有这样一类物质，它本身是不带电的，不会受到磁场的影响，它几乎没有质量，引力对它的作用微乎其微。同时它几乎不与任何物质产生相互作用，或者说它可以穿透任何物质。它就是中微子。

我们身边其实有着非常多的中微子，比如太阳就是一个巨大的中微子发射源，每秒中会有超过3亿亿个来自太阳的中微子穿过我们的身体，一个核反应堆每秒可以产生6亿亿个中微子，即使是我们个人，因为我们体内钾40同位素的衰变，每天也会产生4亿个中微子。

但是中微子最大的特点就是几乎不与物质相互作用，穿透能力非常强，所以这也使得探测它们异常困难。

中微子最早是由奥地利物理学家泡利在1930年提出的。自中微子的概念被提出后，人们尝试了许多方法来寻找这种被称为“世间最难以捉摸的粒子”。首次发现中微子的科学家是美国物理学家莱因斯和柯温，他们最初的想法是非常疯狂的。他们打算利用原子弹爆炸试验来探测中微子。在靠近核爆中心的地下放一个探测器，原子弹核爆的瞬间会产生大量的中微子，或许它们可以抓住其中几个。但是后来，还是有比较理性的科学家对他们进行了劝说，让他们放弃了这个疯狂的想法。

之后，莱茵斯和柯温改用核反应堆来进行试验。他们第一个实验室在汉福德进行的，采用了300升液体闪烁体作为探测器，反应堆中微子在探测器中发生反贝塔衰变，产生正电子和中子，短时间内在液体闪烁体中会形成先后两个信号。当时的这种实验模式至今还在使用，比如我国的大亚湾核电站和江门核电站也都配套建设了同样的中微子实验室来进行探测。

不过，莱茵斯和柯温的首次实验失败了，过多的宇宙线噪音掩埋了所有的中微子信号。吸取经验教训后，他们在更大的萨瓦纳河反应堆旁，距离反应堆11米，地下12米的地方建设了更大的探测器，这次的液体闪烁体有4200升，是之前的14倍。这次他们成功的发现了中微子，这一年是1956年，然而要等到39年以后的1995年他俩才获得了诺贝尔奖。据说之所以推迟这么久才发奖，还与李政道和杨振宁的理论发现有关。

第一个中微子发现了，但是这是来自于地球上核反应堆发出的中微子。来自于宇宙空间的中微子还有待探测。上世纪60年代，美国物理学家雷蒙德戴维斯在南达科他州一处废弃的矿井里放置了一个装有40万升四氯乙烯的水箱，这个矿井位于地下近1600米处。之所以要在地下这么深的地方，主要是避免宇宙线对中微子探测的干扰，在这个深度可以隔绝绝大多数宇宙线，而中微子是不会被岩石和土壤阻挡的。虽然有40万升的四氯乙烯，但也只有在极少数的情况下，中微子能够和氯原子相互作用形成氩原子，通过计算溶液中氩原子的数量就可以探测到来自于太空的中微子。

1968年，戴维斯的团队终于成功的测量到来自于太阳产生的中微子，但是奇怪的是，他测量得到的中微子数量仅仅相当于太阳标准模型预测的三分之一。这被后人称为“太阳中微子失踪之谜”。直到30年后的1998年，这个谜题才被最终揭开，中微子并不是只有一种，而是有三种，当年戴维斯发现的仅仅是其中一种。1998年，日本的超级神冈探测器首次发现了中微子会在不同类型之间变化的证据，这被称为中微子振荡。也就是说太阳释放的中微子在传播到地球的过程中发生了变化，变成了其它类型的中微子。中微子振荡的发现意味着中微子的静止质量肯定是大于0的，这又为后续粒子物理学的许多基本观点提出了挑战。

2017年，名为冰立方的中微子探测器探测到了一个来自于37亿光年之外的超高能中微子，这是人类迄今为止发现的距离最为遥远的中微子。而冰立方，也是所有中微子探测器中独领风骚的一个。之所以命名为冰立方是因为它位于南极洲的阿蒙森-斯科特站，它由86根光缆，每根光缆上安装有60个探测器共5160个探测器组成。每个探测器直径是35厘米，和一个篮球大小差不多，所有这5160个探测器都被埋在一个长宽高皆为1000米的冰层里，故被称为冰立方。整个冰立方位于冰面以下1450米至2450米处。埋在这么深的地方是要将地表的干扰信号屏蔽掉。

而且，之所以放在南极，是因为还要利用南极的冰，冰立方探测器是将冰作为媒介，当中微子与冰内的质子反应时，产生的高速运动粒子会产生切伦科夫辐射，辐射以可见光为主。探测器捕捉到这些闪光，将信号通过光缆传递给位于地面的控制中心。

从2010年建成至今，冰立方发现了许多高能中微子，这些中微子可能来自于活动星系或者黑洞。就黑洞来说，我们还有一种广义相对论预言的手段可以对它进行更深入的研究，那就是引力波，下期节目我们将聊一聊从引力到引力波的那些故事。

感谢收听夜观星空，我是昼伏夜出的叶老师，我们下期再见。