什么是中微子？最简单的解释，无需公式

摘要：中微子是宇宙中最神秘、最难以捉摸的粒子之一。目前，每秒约有 650 亿个中微子（平均值，取决于一天中的时间）在太阳核心诞生，飞过我们身体的每一平方厘米，但所有这些粒子都未被发现。它们毫无阻碍地穿过你的衣服、你的身体、你的家，甚至穿过地球，就像一场你永远感觉不到

中微子是宇宙中最神秘、最难以捉摸的粒子之一。目前，每秒约有 650 亿个中微子（平均值，取决于一天中的时间）在太阳核心诞生，飞过我们身体的每一平方厘米，但所有这些粒子都未被发现。它们毫无阻碍地穿过你的衣服、你的身体、你的家，甚至穿过地球，就像一场你永远感觉不到的无形宇宙雨！

中微子是不带电荷且质量极小（具体值尚不清楚）的亚原子粒子。它们非常小，以至于多年来科学家都认为它们没有质量。它们与物质的相互作用完全通过弱核相互作用进行——弱核相互作用是自然界的四种基本力之一，比电磁相互作用弱数十亿倍。

这一特性使得中微子看起来就像是基本粒子世界的“幽灵”。想象一下：一张纸可以轻易阻挡光线，一层薄薄的铝可以阻挡阿尔法辐射，中微子可以飞过整个星球，几乎不会被注意到。如果科学家想要阻止一半的太阳中微子，他们需要一个一光年厚的铅屏障！

这些粒子是在与核反应相关的过程中形成的：

恒星核心的热核反应会产生大量的中微子。我们的太阳每秒产生大约 10^38 个中微子！当超新星（生命周期末期大质量恒星的爆炸）发生时，会释放出巨大的能量，其中约 99% 的能量被中微子带走。核反应堆：放射性元素的衰变伴随着电子反中微子的发射。地球大气层：宇宙射线与高层大气中的原子碰撞，产生包括中微子在内的一系列粒子。

中微子有三种类型：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它们是根据出生时所关联的轻子*来命名的。中微子的一个令人惊讶的特性是振荡，即在空间中移动时从一种类型转变为另一种类型的能力。正是这一现象成为支持中微子具有质量的第一个令人信服的论据之一。

*轻子是不参与强相互作用的一类基本粒子。这些粒子包括电子（构成原子电子壳层的粒子）、μ子和τ粒子（电子的较重“亲戚”）。轻子是物质的基本“组成部分”之一。

探测这些幽灵粒子需要巨大的探测器，这些探测器通常放置在地下深处，以保护它们免受宇宙背景辐射的影响：

日本的超级神冈探测器是一个巨大的探测器，深达1000米，内有5万吨超纯水，周围有超过11000个灵敏的光电探测器。南极的冰立方是一座嵌入一立方公里南极冰层中的中微子观测站。

在阿蒙森-斯科特南极站建造的冰立方中微子观测站

深层地下中微子实验（DUNE）是美国目前正在建设的一个大型项目。其探测器将容纳 70,000 吨超纯液氩，位于地下 1.5 公里深处。该实验的目的是研究中微子振荡的性质，寻找质子衰变（我在这里详细讨论过这个问题）以及研究超新星的中微子。

当难以捉摸的中微子与探测器中的原子核或电子相互作用时（这种情况极其罕见 - 在数月的观察中实际上只发生过几次），它们会产生带电粒子，例如μ子或电子。这些粒子在介质中的移动速度比光还快**，产生了瓦维洛夫-切伦科夫效应——一种类似于超音速飞机冲击波的特征性蓝色光芒。某些类型的探测器（例如，使用液态氩的探测器）也记录电离痕迹。所有这些微小的信号都被超灵敏光电倍增管和能够记录单个光子的特殊传感器捕获。

**我们并不是在谈论违反物理学的基本定律——在真空中，没有任何东西可以超过光速。然而，在氩或冰等环境中，光传播得更慢，而带电粒子实际上可以移动得更快，但仅限于特定的环境中。