为什么要到深深的矿井中去探测中微子

电影《2012世界末日》中，印度一处铜矿矿井深处工作的核物理学家发现，来自太阳的中微子与地球岩层发生作用，加热地壳，使得大陆板块加速漂移，造成了世界末日。当然2012年我们已经安然度过，可中微子究竟是什么？为什么物理学家要到深深的矿井中去探测中微子呢？

中微子是最神秘的基本粒子。与中微子相关的实验经常让人们大吃一惊，一次次加深了人类对微观世界的认识。

20世纪初物理学家注意到，中子衰变成质子的贝塔衰变时释放出来的电子能量总是不固定的，说明有些能量神秘消失了，仿佛违背了物理学中最基本的能量守恒、动量守恒规律。这个问题非常严重，玻尔甚至提出，在微观世界里这些守恒定律可能并不成立。为了解决这个问题，奥地利物理学家泡利提出，贝塔衰变时除产生电子外，同时产生出一种质量非常小的中性粒子，是它携带走了那些“凭空消失”的能量和动量。1933年费米正式把它命名为中微子。

其实我们随时都“沐浴”在中微子的海洋里，它们主要来源于太阳内部的核反应，不过它不会像电影里那样造成世界末日，恰恰相反，由于弱相互作用的反应截面非常小，中微子很少与其他物质发生相互作用。每秒有1000万亿个太阳中微子穿透我们的身体，我们根本感受不到。中微子这种强悍的穿透力让科学家吃尽了苦头，直到1956年，美国科学家柯温和莱因斯才第一次观察到了中微子存在的实验证据，后来科学家还发现中微子有几种“味道”（即种类），分别对应基本粒子中的电子、缪子和陶子，它们都属于轻子。

为了看到一些中微子，弄清它的性质，科学家只能守株待兔，用好多吨物质作为靶子来“接待”中微子，希望有机会发现它的踪迹。为了探测微弱的中微子信号，中微子探测器一般都建在山洞或者地下数百甚至上千米的矿井中，借助厚厚的岩层屏蔽来自宇宙线中其他粒子的干扰。

地下中微子探测实验

2002年诺贝尔物理学奖获得者小柴昌俊

1968年美国物理学家雷蒙德·戴维斯和约翰·巴考在南达科他州一个金矿的深矿井中观测太阳中微子实验时，发现探测结果只有理论值的1/3。30多年总是得到同样的结果，这就是著名的“太阳中微子问题”。直到1998年，日本科学家小柴昌俊在超级神冈探测实验中找到证据，证实是不同“味道”的中微子之间发生了转换。太阳中微子问题解决了，但同时又提出了“中微子质量之谜”，因为原来人们总是假设它们可能是没有静止质量的。三种中微子怎么转换，也不得而知。

日本超级神冈中微子实验室

今天，在地球上已经建立起很多中微子实验室，它们分别探测太阳中微子、大气中微子、核电站中微子，以及加速器产生的中微子的振荡。中微子质量究竟是多少，是不是还存在其他类型的中微子，中微子有没有磁矩，宇宙背景中微子占什么地位，这些谜团都尚未解决，读者们将来大有用武之地。（肖能超）

【微博士】中国的中微子实验

中国的大亚湾核电站是世界上最强的中微子源之一，在大亚湾附近的山内附近也建有中微子实验室，2012年这个实验室精确测量了电子中微子向陶子中微子振荡的参数，精度99.999 9%，这被认为是迄今为止中国在实验物理学领域所取得的重要成就之一。