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歷史

泡利的假設(shè)

1930年，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)U利為了解釋?duì)滤プ冎心芰?、?dòng)量以及自旋角動(dòng)量守恒而提出了中微子 假說(shuō)。與尼爾斯·玻爾從統(tǒng)計(jì)角度上給出的解釋不同，他認(rèn)為在衰變過(guò)程中伴隨著電子，還會(huì)產(chǎn)生一種當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的一種電中性的粒子。他當(dāng)時(shí)將這種粒子稱(chēng)為“中子”。玻爾非常反對(duì)這種解釋并且準(zhǔn)備承認(rèn)β衰變中能量、動(dòng)量以及自旋角動(dòng)量并不守恒。

1932年，詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了一種具有較大質(zhì)量的核子，并也將其命名為中子。這讓這兩種性質(zhì)殊異的粒子具有了相同的名字。這種情形讓泡利不得不重新為他所構(gòu)想的粒子命名。“中微子”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是經(jīng)由恩里科·費(fèi)米和泡利本人在1932年7月于巴黎舉行的一次會(huì)議以及1933年10月舉行的索爾維會(huì)議上提出的倡議而被國(guó)際科學(xué)界接受的。這一術(shù)語(yǔ)最初是由 愛(ài)德華多·阿馬爾迪 （ 英語(yǔ) ： Edoardo Amaldi ） 在一次與費(fèi)米的對(duì)話中半開(kāi)玩笑式地引入的。

然而，直到1933年仍沒(méi)有足夠證據(jù)辯駁玻爾的β衰變并不遵循能量守恒的想法。在這一年的索爾維會(huì)議上，泡利表示，如果β衰變的能譜具有明確的上限，則能量守恒；如果β衰變中能量不守恒的話，這一上限不可能存在。對(duì)于這一現(xiàn)象的較為自然的解釋就是一種新的粒子會(huì)在這一上限內(nèi)獲得不定量的能量，將剩下的能量留給其他粒子。泡利建議，物理學(xué)者應(yīng)該仔細(xì)檢試β衰變的能譜是否具有明確的上限。在會(huì)議上發(fā)布的結(jié)果是，β衰變的能譜的確具有明確的上限。泡利據(jù)此向參會(huì)者鄭重宣布，“中微子”確實(shí)存在。

依據(jù)費(fèi)米對(duì)于β衰變的解釋?zhuān)榈峦怂l(fā)現(xiàn)的較大的中性粒子會(huì)衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子以及一個(gè)較小的中性粒子（現(xiàn)在依據(jù)它的“味”將其稱(chēng)為反電子中微子）：

費(fèi)米在其1934年發(fā)表的一篇論文中統(tǒng)合了泡利提出的中微子假說(shuō)，保羅·狄拉克提出的正電子理論以及維爾納·海森堡提出的中子–質(zhì)子模型，并為將來(lái)的粒子物理相關(guān)實(shí)驗(yàn)提出了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。然而《自然》雜志拒絕登載費(fèi)米的論文，給出的理由為費(fèi)米的理論“與現(xiàn)實(shí)相差太遠(yuǎn)”。這篇論文最后發(fā)表在一部意大利語(yǔ)的期刊上。費(fèi)米被這事件搞得心灰意冷，因此轉(zhuǎn)投實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的相關(guān)工作。 但是，費(fèi)米的理論并沒(méi)有被學(xué)術(shù)界忽略，自此，玻爾不再堅(jiān)持β衰變違反能量守恒，實(shí)驗(yàn)檢試中微子的大門(mén)也被開(kāi)啟。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

  1956年左右正在進(jìn)行中微子相關(guān)實(shí)驗(yàn)的克萊德·科溫

1942年，王淦昌首次提出利用電子俘獲來(lái)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)中微子。 在1956年7月20日發(fā)行的《科學(xué)》雜志中，克萊德·科溫、弗雷德里克·萊因斯等人發(fā)表了他們對(duì)于中微子的觀測(cè)結(jié)果。 。而在這一結(jié)果發(fā)表近40年后，萊因斯才因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)中微子而獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 。

在 他們所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) （ 英語(yǔ) ： Cowan–Reines neutrino experiment ） 中，他們將從核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的反中微子與質(zhì)子進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生中子與正電子：

正電子會(huì)立即與電子發(fā)生湮滅。然后他們通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)過(guò)程中所產(chǎn)生的伽馬射線并利用一個(gè)質(zhì)量適當(dāng)?shù)脑雍朔@中子來(lái)觀測(cè)是否有反中微子參與反應(yīng)。

由科溫和萊因斯發(fā)現(xiàn)的反中微子是電中微子的反粒子。1962年，利昂·萊德曼、梅爾文·施瓦茨和杰克·施泰因貝格爾發(fā)現(xiàn)除了電中微子外還存在一種中微子，μ中微子 。三人因這一發(fā)現(xiàn)而分享了1988年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)?shù)谌N輕子，τ子，1995年在斯坦福直線加速器中心被發(fā)現(xiàn)后，依照理論相應(yīng)地會(huì)存在第三種中微子，τ中微子。在類(lèi)似于β衰變的τ衰變中，人們觀察到了能量和動(dòng)量的損失，借此證實(shí)了τ中微子的存在。而對(duì)于τ中微子的首次觀測(cè)結(jié)果是在2000年夏季費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的 DONUT協(xié)作項(xiàng)目 （ 英語(yǔ) ： DONUT ） 中發(fā)表的。人們已經(jīng)在此前大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論吻合后推測(cè)其確實(shí)存在。

后續(xù)進(jìn)展

根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子靜質(zhì)量為零，且它的味不會(huì)發(fā)生變化。然而，如果它具有質(zhì)量的話，那么中微子還會(huì)發(fā)生味間的振蕩，也就是中微子振蕩。對(duì)于中微子振蕩的研究始于1957年布魯諾·龐蒂科夫類(lèi)比于K介子振蕩對(duì)其進(jìn)行的理論預(yù)言。 在隨后的10年中，他發(fā)表了對(duì)其的數(shù)學(xué)表述及對(duì)真空振蕩的現(xiàn)代表述。

1968年，美國(guó)物理學(xué)家雷蒙德·戴維斯等人在美國(guó)南達(dá)科他州的霍姆斯特克（Homestake）地下金礦中建造了一個(gè)大型中微子探測(cè)器。他們發(fā)現(xiàn)來(lái)自太陽(yáng)的中微子數(shù)僅為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型預(yù)測(cè)數(shù)量的三分之一至二分之一。這一差異就是后來(lái)近三十年未得到解決的太陽(yáng)中微子問(wèn)題。這一問(wèn)題直到中微子振蕩被后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到后才得到解決。

1982年，日本物理學(xué)家小柴昌俊在一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中領(lǐng)導(dǎo)建造了神岡探測(cè)器。這一探測(cè)器最初是用來(lái)探測(cè)質(zhì)子衰變，也可以利用中微子在水中產(chǎn)生的切連科夫輻射來(lái)探測(cè)中微子。

1985年， 斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫 （ 英語(yǔ) ： Stanislav Mikheyev ） 和 阿列克謝·斯米爾諾夫 （ 英語(yǔ) ： Alexei Smirnov (physicist) ） 在林肯·沃爾芬斯坦在1978年的工作基礎(chǔ)上提出了中微子振蕩會(huì)隨著其在物質(zhì)中傳播的過(guò)程中發(fā)生變化，也就是 米赫耶夫–斯米爾諾夫–沃爾芬斯坦效應(yīng) （ 英語(yǔ) ： Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein effect ） （簡(jiǎn)稱(chēng)MSW效應(yīng)）。這一現(xiàn)象對(duì)于探測(cè)來(lái)源于太陽(yáng)核心的中微子非常重要。

1987年2月，在銀河系的鄰近星系大麥哲倫云中發(fā)生了超新星1987A的爆發(fā)。日本的神岡探測(cè)器和美國(guó)的霍姆斯特克探測(cè)器幾乎同時(shí)接收到了來(lái)自超新星1987A的19個(gè)中微子，這是人類(lèi)首次探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)系以外的中微子，在中微子天文學(xué)的歷史上具有劃時(shí)代的意義。平均而言，超新星爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生約10 個(gè)中微子 。

1998年6月5日，日本超級(jí)神岡探測(cè)器的科學(xué)家們宣布找到了中微子振蕩的證據(jù)，然而這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能測(cè)出不同“味”的中微子質(zhì)量之差，尚不能測(cè)得其絕對(duì)質(zhì)量。2001年，加拿大女王大學(xué)物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納的研究小組在伯里中微子觀測(cè)站 探測(cè)到了太陽(yáng)發(fā)出的全部三種中微子，證實(shí)了太陽(yáng)中微子在達(dá)到地球途中發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換，三種中微子的總流量與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的預(yù)言相符合，基本上解決了太陽(yáng)中微子問(wèn)題。后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了中微子振蕩確實(shí)存在，比如 KamLAND （ 英語(yǔ) ： KamLAND ） 以及 MINOS （ 英語(yǔ) ： MINOS ） 。KamLAND確定了太陽(yáng)中微子問(wèn)題中的中微子的味的變換機(jī)制，MINOS確認(rèn)了大氣層中中微子的振蕩。

2002年，美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis Jr）和日本科學(xué)家小柴昌俊因?yàn)椤霸谔祗w物理學(xué)領(lǐng)域做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn)”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2015年，阿瑟·麥克唐納和東京大學(xué)宇宙線研究所教授梶田隆章因觀測(cè)到大氣中微子的震蕩現(xiàn)象獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

性質(zhì)

中微子的自旋量子數(shù)為?，因而它是一種費(fèi)米子。中微子通常通過(guò)弱相互作用發(fā)生反應(yīng)。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)表明其具有質(zhì)量。這意味著它還具有一個(gè)大小在 10 μ B 量級(jí)的磁矩 。這令中微子也有可能參與電磁相互作用。由吳健雄完成的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明中微子都是左手性的 。

在自然界的輻射背景下，檢測(cè)中微子的相互作用是非常困難的。由于這個(gè)原因，在早期實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者為了便于檢測(cè)通常會(huì)選擇一個(gè)特別的反應(yīng)方式：反中微子與水分子中一個(gè)氫核的反應(yīng)。一個(gè)氫核就是一個(gè)質(zhì)子，所以同時(shí)發(fā)生在重核中的核反應(yīng)可以不用在檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行考量。然而在核反應(yīng)堆外的水里，只有相當(dāng)小比例的這種反應(yīng)能被記錄下來(lái)。這種裝置現(xiàn)在仍被用來(lái)檢測(cè)反應(yīng)堆內(nèi)钚產(chǎn)生速率。

米赫耶夫–斯米爾諾夫–沃爾芬斯坦效應(yīng)

當(dāng)中微子穿透物質(zhì)時(shí) ，其振蕩概率會(huì)受到米赫耶夫–斯米爾諾夫–沃爾芬斯坦（簡(jiǎn)寫(xiě)為“MSW”）效應(yīng)影響。電中微子參與的弱相互作用與μ中微子以及τ中微子參與的并不相同。MSW效應(yīng)正是源于這一點(diǎn)。這一效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于電子密度以及中微子的能量，并會(huì)受到相當(dāng)大的共振增益。

核反應(yīng)

中微子可以與原子核發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一種新的原子核。放射化學(xué)中微子探測(cè)器就是依靠這一過(guò)程工作的。估算一個(gè)原子核發(fā)生這種反應(yīng)的概率需要考慮它的能級(jí)以及自旋態(tài)。通常發(fā)生這一反應(yīng)的概率會(huì)隨著原子核中中子和質(zhì)子的數(shù)量的增加而變大。伯里中微子觀測(cè)站利用重水探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了中微子與氘核的反應(yīng)。

與中子類(lèi)似，中微子也可以誘發(fā)重核的裂變 。但到目前為止，這一反應(yīng)仍沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到。但人們預(yù)測(cè)在恒星以及超新星中會(huì)發(fā)生這種反應(yīng)。這一過(guò)程會(huì)影響宇宙中同位素的豐度。

種類(lèi)

現(xiàn)在已知有三種味的中微子：電中微子（ νe ）、μ中微子（ νμ ）以及τ中微子（ ντ ）。它們是以在標(biāo)準(zhǔn)模型中對(duì)應(yīng)的輕子命名的。現(xiàn)有對(duì)于中微子種類(lèi)數(shù)最好的測(cè)定結(jié)果來(lái)源于對(duì)Z玻色子衰變的觀測(cè)。這種粒子衰變會(huì)產(chǎn)生各種類(lèi)型的輕中微子 及它們對(duì)應(yīng)的反中微子。而產(chǎn)生的輕中微子種類(lèi)越多，Z玻色子壽命對(duì)應(yīng)也就越短?，F(xiàn)在對(duì)于Z玻色子壽命的測(cè)定表明輕中微子有3種。 物理學(xué)家通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型中6種夸克與6種輕子的對(duì)應(yīng)關(guān)系推測(cè)實(shí)際上可能只有三種中微子，但尚未找到確切的證據(jù)。

人們通過(guò)來(lái)自 液體閃爍器中微子探測(cè)器 （ 英語(yǔ) ： Liquid Scintillator Neutrino Detector ） 推測(cè)可能會(huì)存在另外一種不會(huì)參與弱相互作用但可以通過(guò)中微子振蕩產(chǎn)生的中微子，惰性中微子。這種中微子存在與否并不能通過(guò)觀測(cè)Z玻色子衰變確定。但現(xiàn)在仍在進(jìn)行的 MiniBooNE實(shí)驗(yàn) （ 英語(yǔ) ： MiniBooNE ） 的中途結(jié)果表明這種中微子可能并不存在 ，但這一領(lǐng)域進(jìn)行的最新的研究以及MiniBooNE實(shí)驗(yàn)的一些異常數(shù)據(jù)仍然表明包括惰性中微子在內(nèi)的新的種類(lèi)的中微子仍有可能存在。 一項(xiàng)由 勞厄—郎之萬(wàn)研究所 （ 英語(yǔ) ： Institut Laue-Langevin ） 完成的對(duì)于電子能譜的分析 也表明惰性中微子可能存在。

由威爾金森微波各向異性探測(cè)器得到的對(duì)于宇宙微波背景輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)兼容于三種或四種中微子的情況。相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員仍在嘗試消除這一不確定性。

反中微子

反中微子是中微子的反粒子。它與中微子一樣是電中性的。它可以在原子核發(fā)生β衰變時(shí)伴隨著質(zhì)子與電子一起產(chǎn)生。它的自旋量子數(shù)是?。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到反中微子是右手性的。反中微子與中微子一樣只能通過(guò)萬(wàn)有引力以及弱力與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。這令它們非常難以觀測(cè)。中微子振蕩實(shí)驗(yàn)表明反中微子具有質(zhì)量。β衰變表明它的質(zhì)量非常微小。 中微子光理論 （ 英語(yǔ) ： neutrino theory of light ） 預(yù)測(cè)中微子與反中微子湮滅會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合光子。

由于反中微子與中微子都是電中性的，因而它們有可能是同一種粒子。反粒子是其本身的粒子被稱(chēng)作馬約拉納費(fèi)米子。如果這一點(diǎn)成立的話，那么中微子與反中微子只能通過(guò)手征性加以區(qū)別。如果中微子確實(shí)是馬約拉納費(fèi)米子的話，那么一系列違反輕子數(shù)守恒的過(guò)程是有可能發(fā)生的。物理學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了一些尋找這些過(guò)程的實(shí)驗(yàn) 。

全世界的研究者已經(jīng)做了一些考察利用反中微子檢測(cè)核反應(yīng)以控制核武器擴(kuò)散的可能性的研究 。

反中微子是在其與水中質(zhì)子發(fā)生相互作用過(guò)程中被首次探測(cè)到的 。核反應(yīng)堆旁常設(shè)置水缸作為可控的反中微子源。只有反電中微子能發(fā)生 格拉肖共振 （ 英語(yǔ) ： Glashow Resonance ） 。中微子、反μ中微子與反τ中微子都不能發(fā)生這種現(xiàn)象。

中微子振蕩

中微子在產(chǎn)生以及探測(cè)時(shí)具有明確的味。但在其傳播過(guò)程中，它可能會(huì)發(fā)生味間的振蕩，比如在某個(gè)地方產(chǎn)生的電中微子在另一個(gè)地方被探測(cè)到時(shí)就可能會(huì)變?yōu)棣讨形⒆踊颚又形⒆?。這是由于中微子味的本征態(tài)比它質(zhì)量的本征態(tài)復(fù)雜。20世紀(jì)60年代末，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的太陽(yáng)中微子數(shù)與利用太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果存在差異。物理學(xué)家也是通過(guò)這一現(xiàn)象首次在實(shí)際情況中接觸到這一量子效應(yīng)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子振蕩的存在意味著味不同的中微子的質(zhì)量也存在差異。這是由于在某一時(shí)間點(diǎn)，中微子的味所可能處于的本征態(tài)數(shù)與不同本征態(tài)的中微子的質(zhì)量平方的差異密切相關(guān)。但中微子在質(zhì)量為零的情況下仍有可能發(fā)生振蕩。如果中微子并不嚴(yán)格遵循洛倫茲共變性，那么它就可以進(jìn)行 非洛倫茲振蕩 （ 英語(yǔ) ： Lorentz-violating neutrino oscillations ） 。

由于反中微子與中微子可能是同一種粒子，它們有可能通過(guò)改變自旋方向就可以完成彼此間的轉(zhuǎn)化。 這一變化要求中微子及反中微子質(zhì)量非零，傳播速度低于光速。因?yàn)檫@一變化只有在存在速度高于粒子速度的慣性系時(shí)才能發(fā)生。這是由于如果中微子與反中微子是同一粒子的話，那么此變化本質(zhì)上就是參考系的變換：粒子在速度較其快的參考系與速度較其慢的參考系中自旋方向是不同的。

2013年7月19日，在歐洲物理學(xué)會(huì)舉辦的高能物理會(huì)議上，相關(guān)研究者宣讀了 T2K實(shí)驗(yàn) （ 英語(yǔ) ： T2K experiment ） 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確認(rèn)中微子振蕩確實(shí)存在。

質(zhì)量

依據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子靜質(zhì)量為零。然而類(lèi)似于頂類(lèi)型和底類(lèi)型夸克間的混合，從實(shí)驗(yàn)中獲得的中微子振蕩現(xiàn)象，其每一種味態(tài)都可由幾種質(zhì)量本征態(tài)混合形成，因此要求中微子質(zhì)量非零。 中微子具有質(zhì)量這一想法源于20世紀(jì)50年代布魯諾·龐蒂科夫?qū)τ谥形⒆诱袷幍睦碚撗芯?。為了將質(zhì)量納入考量，可以通過(guò)添加一項(xiàng)右手性拉格朗日量的方式直接在基礎(chǔ)框架上加以改善。有兩種方法可以完成這目標(biāo)。假如中微子如同其它基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，其質(zhì)量是通過(guò) 狄拉克機(jī)制 （ 英語(yǔ) ： Dirac fermion ） 生成，則需要一個(gè)SU(2)單態(tài)，除了與希格斯 雙重態(tài) （ 英語(yǔ) ： doublet state ） 中性成分的湯川耦合以外，這粒子不會(huì)參與任何標(biāo)準(zhǔn)模型相互作用，因此稱(chēng)為惰性中微子。假如質(zhì)量可以通過(guò)馬約拉納機(jī)制生成，則中微子與反中微子會(huì)成為同一種粒子。

對(duì)于中微子質(zhì)量上限最強(qiáng)的理論預(yù)測(cè)來(lái)源于物理宇宙學(xué)。大爆炸模型理論預(yù)測(cè)了宇宙微波背景輻射中，中微子和光子數(shù)量之比是固定的。如果三種中微子一起計(jì)算，每個(gè)中微子的平均能量如果超過(guò) 50eV 的話，那么宇宙就會(huì)發(fā)生坍縮。 如果中微子是不穩(wěn)定的，那么這一限度可能并不存在。囿于標(biāo)準(zhǔn)模型，這一點(diǎn)很難成立。而對(duì)于宇宙微波背景輻射、紅移巡天以及萊曼α森林等宇宙學(xué)數(shù)據(jù)的分析給出了一個(gè)更為嚴(yán)格約束：三種中微子質(zhì)量之和不大于 0.3 eV 。

1998年，超級(jí)神岡探測(cè)器的研究結(jié)果證實(shí)了中微子的味可以發(fā)生振蕩，并進(jìn)一步得出中微子質(zhì)量非零。 但中微子的質(zhì)量大小并沒(méi)有被測(cè)定。這是因?yàn)橹形⒆诱袷幹慌c不同質(zhì)量本征態(tài)的質(zhì)量的平方差有關(guān)。 2005年， KamLAND （ 英語(yǔ) ： KamLAND ） 實(shí)驗(yàn)組提交了目前最好的1、2質(zhì)量本征態(tài)間質(zhì)量平方差的測(cè)定結(jié)果：Δ m 2 21 = 0.000 0 79 eV 。 2006年， MINOS （ 英語(yǔ) ： MINOS ） 實(shí)驗(yàn)組觀測(cè)了高能μ中微子束的振蕩情況，他們測(cè)定了2、3質(zhì)量本征態(tài)間的質(zhì)量平方差的絕對(duì)值：|Δ m 2 32 | = 0.0027 eV 。這一結(jié)果與之前由超級(jí)神岡探測(cè)器得到的結(jié)果吻合。 由于|Δ m 2 32 |是兩本征態(tài)間質(zhì)量平方之差，因而它們其中一個(gè)的值不會(huì)小于這個(gè)值的平方根。也就是說(shuō)，至少會(huì)有一種中微子的質(zhì)量本征值不會(huì)小于 0.04 eV 。

2009年，通過(guò)分析觀測(cè)引力透鏡得到的數(shù)據(jù)，天文學(xué)者預(yù)測(cè)中微子質(zhì)量大約為 1.5 eV 。這么令人驚愕的高數(shù)值意味著三種中微子質(zhì)量大約相等，而中微子振蕩的質(zhì)量差在meV數(shù)位級(jí)。這中微子質(zhì)量處于反電子中微子的美茵茨-特羅伊茨克上限（Mainz-Troitsk upper bound） 2.2 eV 之內(nèi) 。 卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn) （ 英語(yǔ) ： KATRIN ） （Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment）2015年會(huì)在 0.2 eV 與 2 eV 質(zhì)量區(qū)間尋找中微子。

KATRIN （ 英語(yǔ) ： KATRIN ） 、MARE等實(shí)驗(yàn)組已經(jīng)就直接測(cè)定中微子的質(zhì)量進(jìn)行了一些研究。他們是利用原子核的β衰變進(jìn)行研究的。

2010年5月31日，OPERA實(shí)驗(yàn)參與者在μ中微子束中觀測(cè)到的τ中微子。這也是中微子間的變化首次在實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)到，為它們具有質(zhì)量這一點(diǎn)進(jìn)一步提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2010年7月，3-D MegaZ DR7星系研究組報(bào)告他們測(cè)定三種中微子的質(zhì)量之和上限為 0.28 eV 。2013年3月，參與普朗克合作計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)者將這一上限值降為 0.23 eV 。但2014年2月，基于普朗克衛(wèi)星對(duì)于宇宙微波背景輻射的細(xì)致測(cè)定結(jié)果與來(lái)源于其他現(xiàn)象的理論預(yù)測(cè)之間的差異，他們又給出了0.320 ± 0.081 eV的估計(jì)值。他們?cè)谄渲锌剂苛酥形⒆釉谫|(zhì)量非零的情況下對(duì)于弱引力透鏡的影響。

如果中微子是一種馬約拉納費(fèi)米子的話，那么它的質(zhì)量可以通過(guò)發(fā)生不產(chǎn)生中微子的雙β衰變的原子核的半衰期進(jìn)行測(cè)算。KamLAND-Zen研究組2015年通過(guò)這一方式給出中微子質(zhì)量的最低的上限在0.12 eV至0.25 eV之間。

梶田隆章與阿瑟·麥克唐納因在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，從而證實(shí)中微子質(zhì)量非零而獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

速度

在“中微子振蕩”這個(gè)概念出現(xiàn)以前，根據(jù)依狹義相對(duì)論而建立的中微子標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子的質(zhì)量應(yīng)為零 ，并應(yīng)該以光速運(yùn)動(dòng)。然而，由于中微子振蕩被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，“中微子的質(zhì)量是零”這一假設(shè)并不成立，有人因此亦開(kāi)始質(zhì)疑中微子是否能夠以光速行進(jìn)。

而量子引力中的一些反洛倫茲變換允許超光速的中微子存在。其中的標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)充就是描述反洛倫茲變換現(xiàn)象的較為周詳?shù)睦碚摽蚣堋?

科學(xué)家對(duì)于中微子速度的測(cè)定始于20世紀(jì)80年代早期。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家利用脈沖π介子束 來(lái)測(cè)量中微子的速度。帶電的π介子衰變會(huì)產(chǎn)生μ子及中微子?？茖W(xué)家通過(guò)遠(yuǎn)處的探測(cè)器觀測(cè)一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)中微子的相互作用，發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)速度趨近于光速。2007年， MINOS （ 英語(yǔ) ： MINOS ） 實(shí)驗(yàn)組利用相同的方法重新進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在置信度為99%時(shí)，能量為 3GeV 的中微子的速度在 0.999 9 76 c 與 1.000 1 26 c 之間。這一區(qū)間的中值 1.000 0 51 c 要大于光速，但實(shí)際速度可能仍與光速相等，或略小于光速。同時(shí)在此次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)組設(shè)定置信度為99%時(shí)的μ中微子質(zhì)量上限為 50 MeV 。 在探測(cè)器2012年升級(jí)后，MINOS實(shí)驗(yàn)組修正了他們的初始結(jié)果，發(fā)現(xiàn)中微子速度與光速幾乎相等。中微子到達(dá)時(shí)間與光子到達(dá)時(shí)間相差-0.0006% (±0.0012%)。

相關(guān)研究人員對(duì)超新星SN 1987A進(jìn)行類(lèi)似的觀測(cè)。在其爆發(fā)時(shí)，世界各地有三臺(tái)中微子探測(cè)器各自探測(cè)到5到11個(gè)中微子。這些中微子是在SN 1987A爆發(fā)產(chǎn)生的光子到達(dá)地球之前3小時(shí)被探測(cè)到的。對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)科學(xué)家做出了這樣的解釋?zhuān)河捎谥形⒆拥母叽┩感裕诔滦潜l(fā)時(shí)，它會(huì)比可見(jiàn)光更早逸出附近區(qū)域。而并非是由于它的速度比光速快。相關(guān)研究人員在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)探測(cè)來(lái)自超新星能量為 10 MeV 的反中微子時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們的速度趨近于光速。

2011年9月，OPERA實(shí)驗(yàn)組通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)他們實(shí)驗(yàn)中探測(cè)的能量為17 GeV和28 GeV的中微子的速度超過(guò)了光速 。為此，合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的歐洲粒子物理研究機(jī)構(gòu)特地舉辦了一場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)表會(huì) 。2011年11月，OPERA對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行調(diào)整以測(cè)定單個(gè)中微子的速度，然后重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仍然發(fā)現(xiàn)超光速的中微子。然而2012年2月，CERN提交發(fā)現(xiàn)這一異常的結(jié)果可能是由安裝在測(cè)量中微子離開(kāi)和返回時(shí)間的原子鐘上的一個(gè)光纖發(fā)生松動(dòng)所致 。同時(shí)，另一個(gè)與GPS信號(hào)同步的振蕩器故障也可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中對(duì)于中微子的飛行時(shí)間測(cè)定結(jié)果偏低 。為此，相關(guān)研究人員宣布會(huì)在同年5月重新進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè) 。2012年3月， ICARUS （ 英語(yǔ) ： ICARUS (experiment) ） 實(shí)驗(yàn)組宣布他們通過(guò)進(jìn)行的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子的速度與光速并不存在明顯差別 。同年6月，CERN宣布由格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室四個(gè)實(shí)驗(yàn)組 合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子速度與光速一致，最終否定了前一年OPERA實(shí)驗(yàn)組的異常結(jié)果 。

尺寸

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子被視為一個(gè)點(diǎn)。其有效尺寸 可以通過(guò)電弱作用的截面進(jìn)行定義。其平均的電弱特征尺寸為 r = n × 10 cm （ n × 1nb）。其中，對(duì)于電中微子， n = 3.2；對(duì)于μ中微子， n = 1.7；對(duì)于τ中微子， n = 1.0；其只與質(zhì)量有關(guān)。 其可以理解為只與散射概率有關(guān)。由于中微子并不參與電磁相互作用，并常以量子力學(xué)中波函數(shù)的形式表征，因而它的尺寸的概念并不能像日常事物的尺寸那樣去描述。 而且還需要考慮到，中微子在產(chǎn)生時(shí)常具有相當(dāng)高的能量，會(huì)以近似光速的速度運(yùn)動(dòng)。而中微子是一種費(fèi)米子，遵循泡利不相容原理（Pauli exclusion principle） 。也就是說(shuō)如果密度增大的話，那么動(dòng)量 大的中微子會(huì)增多。

手征性

實(shí)驗(yàn)表明在誤差范圍內(nèi)，中微子遵循左手螺旋法則的 ，反中微子反之。如果它們的質(zhì)量為零的話，那么這會(huì)是它們唯一能表現(xiàn)出的手征性。這也是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一被考慮到的手征性。反之，它們的性質(zhì)會(huì)與現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果大相徑庭。它們或者會(huì)質(zhì)量會(huì)變得非常大 ，或者不能參與弱相互作用，成為惰性中微子。

但中微子質(zhì)量不為零這一點(diǎn)會(huì)令情況變得復(fù)雜。中微子的手征性在中微子自弱相互作用中產(chǎn)生時(shí)會(huì)處于其本征態(tài)。對(duì)于有質(zhì)量的粒子而言，其手征性并不守恒，但其遵循的螺旋法則卻是守恒的。然而手征性算子并不與螺旋法則算子有同一個(gè)本征態(tài)。自由的中微子在傳播過(guò)程中會(huì)處于左旋態(tài)與右旋態(tài)的疊加態(tài)。疊加的幅值與 m ν / E 近似。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中未必能觀測(cè)到，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所能探測(cè)到的中微子都是處于極端相對(duì)論情況的，疊加的幅值因而會(huì)變得極其微小。比如，太陽(yáng)中微子的能量大多處于 100 keV 至 1 MeV 量級(jí)之間，其中遵循不同螺旋法則的中微子所占比例不會(huì)超過(guò) 10 。

來(lái)源

人工反應(yīng)

核反應(yīng)堆

核反應(yīng)堆是人工生成中微子的主要來(lái)源。裂變產(chǎn)物中富有中子的子核會(huì)發(fā)生β衰變從而產(chǎn)生反中微子。反中微子流通常來(lái)源于以下四種同位素： 235 U 、 238 U 、 239 Pu 以及 241 Pu 。平均而言，單次裂變反應(yīng)會(huì)釋放近 200 MeV 的能量，其中的近4.5%，也就是約 9 MeV 的能量 會(huì)通過(guò)反中微子放射出來(lái)。比如說(shuō)，對(duì)于一個(gè)一般規(guī)模的核心熱功率大約為 4,000 MW 、產(chǎn)生電功率為 1,300 MW 的反應(yīng)堆而言，實(shí)際由裂變產(chǎn)生的能量功率為 4,185 MW 。這之間相差的 185 MW 會(huì)隨著反中微子放射出反應(yīng)堆。由于反中微子的高穿透性，這些能量可以視作完全耗損掉而沒(méi)有轉(zhuǎn)化為推動(dòng)渦輪的熱能。

反中微子的能譜情況取決核原料的種類(lèi) 。但總體而言，裂變產(chǎn)生的可探測(cè)的反中微子峰值能量在 3.5MeV 到 4 MeV 之間，能量的最大值約為 10 MeV 。 現(xiàn)在仍沒(méi)有成熟的測(cè)定低能反中微子通量的實(shí)驗(yàn)方法?，F(xiàn)在只能測(cè)定能量高于 1.8 MeV 的反中微子。大約只有3%的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子的能量能高于這一閾值。對(duì)于一個(gè)一般規(guī)模的核電站，其每秒能產(chǎn)生超過(guò) 10 個(gè)能量高于這個(gè)閾值的反中微子，但同時(shí)還有其30多倍的反中微子不能通過(guò)目前的探測(cè)技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。

加速器

一些粒子加速器也被用于產(chǎn)生中微子束。通常使用的方法是用質(zhì)子撞擊某個(gè)目標(biāo)，產(chǎn)生帶電的π介子和K介子。這些不穩(wěn)定的粒子在利用磁場(chǎng)聚焦后進(jìn)入一個(gè)長(zhǎng)隧道，并在傳播過(guò)程中發(fā)生衰變。由于相對(duì)論效應(yīng)，在衰變過(guò)程中產(chǎn)生的中微子會(huì)形成具有一定運(yùn)動(dòng)方向的中微子束。相關(guān)研究人員正在建設(shè)利用μ子衰變產(chǎn)生中微子的加速器。 這種設(shè)備被稱(chēng)為 中微子發(fā)生器 （ 英語(yǔ) ： Neutrino Factory ） 。

核彈

核彈也會(huì)產(chǎn)生大量的中微子。弗雷德里克·萊因斯與克萊德·科溫認(rèn)為來(lái)自探測(cè)核彈產(chǎn)生的中微子可能要比他們采用的探測(cè)方式容易一些。當(dāng)時(shí)主持洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理方面工作的J.M.B.凱洛格則推薦他們以裂變反應(yīng)堆作為反中微子源。 基于裂變的原子彈在發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的反中微子?；诰圩兊臍鋸椉葧?huì)產(chǎn)生中微子也會(huì)產(chǎn)生反中微子。

地球內(nèi)部

中微子是自然背景輻射的一部分。 238 U 與 232 Th 發(fā)生的鏈?zhǔn)搅炎円约?40 K 發(fā)生的β衰變都會(huì)放出反中微子。由此產(chǎn)生的地中微子提供了珍貴的地球內(nèi)部的信息。 KamLAND （ 英語(yǔ) ： KamLAND ） 2005年首次探測(cè)到地中微子。 這一探測(cè)器最初用來(lái)測(cè)定自反應(yīng)堆釋出的反中微子。由于其任務(wù)調(diào)整為進(jìn)一步探測(cè)地中微子，其需要遠(yuǎn)離反應(yīng)堆，以避免來(lái)自反應(yīng)堆的干擾。

  依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型，太陽(yáng)內(nèi)部會(huì)發(fā)生的質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)。中微子可以經(jīng)由這一過(guò)程產(chǎn)生。

大氣層

地球大氣層中的中微子來(lái)源于宇宙射線與其中的原子核之間發(fā)生相互作用后產(chǎn)生的大量不穩(wěn)定粒子。這些粒子衰變會(huì)產(chǎn)生中微子。在一項(xiàng)由 塔塔基礎(chǔ)科學(xué)研究所 （ 英語(yǔ) ： Tata Institute of Fundamental Research ） 、大阪市立大學(xué)以及杜倫大合進(jìn)行的研究中，研究人員記錄了在位于 科拉爾金礦 （ 英語(yǔ) ： Kolar Gold Fields ） 的地下實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的來(lái)源于宇宙射線的中微子。

太陽(yáng)

太陽(yáng)的運(yùn)行情況可以利用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型進(jìn)行解釋。太陽(yáng)中微子主要來(lái)源于其內(nèi)部發(fā)生的核聚變，質(zhì)子﹣質(zhì)子鏈反應(yīng)。太陽(yáng)放出的中微子數(shù)量非常龐大。地球面向太陽(yáng)的區(qū)域每秒鐘在每平方厘米上都會(huì)穿過(guò)大約650億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子。 由于中微子幾乎不會(huì)被地球吸收，因而在同一時(shí)刻也會(huì)有幾乎相同數(shù)目的中微子穿過(guò)地球的另一面。

超新星

 超新星SN 1987A

1966年，科爾蓋特和懷特 通過(guò)計(jì)算得到在一些質(zhì)量較大的恒星坍縮時(shí)所產(chǎn)生的中微子會(huì)攜帶走絕大多數(shù)的引力能?，F(xiàn)在這種現(xiàn)象被歸類(lèi)為Ib型、Ic型以及II型超新星。當(dāng)這些恒星坍縮時(shí)，核心區(qū)域的物質(zhì)密度能夠達(dá)到 10 kg/m 以至于電子簡(jiǎn)并壓力不足以避免質(zhì)子和電子合并生成中子和電中微子。另外一個(gè)也是更為重要的中微子來(lái)源是新的溫度高達(dá) 10 K 的中子核形成過(guò)程中釋出的各種中微子—反中微子對(duì)。

1987年，科爾蓋特與懷特的超新星中微子理論在探測(cè)到超新星SN 1987A后被驗(yàn)證。以水作為探測(cè)介質(zhì)的 Kamiokande II探測(cè)器 （ 英語(yǔ) ： Kamiokande II ） 以及 IMB探測(cè)器 （ 英語(yǔ) ： Irvine–Michigan–Brookhaven (detector) ） 分別自那里探測(cè)到了11個(gè)和8個(gè)來(lái)源于熱過(guò)程的反中微子 ，而使用閃爍計(jì)數(shù)器的巴克三探測(cè)器探測(cè)到了分別來(lái)自熱過(guò)程以及電子俘獲過(guò)程的5個(gè)中微子 。這是在一個(gè)持續(xù)時(shí)間小于13秒的脈沖中探測(cè)到的。自超新星來(lái)的中微子信號(hào)要比首個(gè)電磁輻射信號(hào)早了數(shù)個(gè)小時(shí)到達(dá)地球。這一點(diǎn)來(lái)源于中微子相對(duì)于光子能更為容易地穿過(guò)發(fā)生爆炸的恒星周?chē)l(fā)生激烈擾動(dòng)的物質(zhì)。

由于中微子與物質(zhì)間的相互作用十分微弱，科學(xué)家認(rèn)為超新星中微子能攜帶爆炸最核心區(qū)域的信息。多數(shù)來(lái)源于沖擊波中放射性衰變的可見(jiàn)光以及爆炸本身產(chǎn)生的光會(huì)被這一區(qū)域周?chē)某砻芏殖錆M(mǎn)擾動(dòng)的氣體散射從而發(fā)生遲滯。中微子脈沖會(huì)比可見(jiàn)光、γ射線以及無(wú)線電波等電磁信號(hào)更早到達(dá)地球。具體遲滯的時(shí)間取決于沖擊波的速度以及星體外部物質(zhì)的稠密程度。對(duì)于II型超新星，天文學(xué)家預(yù)測(cè)在星體核心坍縮數(shù)秒后會(huì)有大量的中微子釋出。首個(gè)電磁信號(hào)則會(huì)在數(shù)小時(shí)后才會(huì)出現(xiàn)。這是由于爆炸沖擊波需要一定的時(shí)間才能到星體的表面。超新星早期預(yù)警系統(tǒng)就是利用中微子探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視空中可能發(fā)生的超新星。中微子信號(hào)可以提供銀河系內(nèi)可能發(fā)生的星體爆炸的有效的預(yù)警信號(hào)。

中微子在通過(guò)超新星外部氣體時(shí)盡管不會(huì)收到其太多散射，但還是能在攜帶超新星最為核心區(qū)域的信息同時(shí)也能攜帶一些那里的信息。盡管它在從那里傳播到地球的過(guò)程中會(huì)受到相當(dāng)大的散射。一種類(lèi)型的超新星核心區(qū)域的密度與中子星相當(dāng) ，足以令一些中微子的運(yùn)動(dòng)受到一定的阻礙從而影響中微子信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。來(lái)自SN 1987A的中微子信號(hào)達(dá)到了13秒。這要比假設(shè)中微子可以不受到阻礙穿過(guò)直徑只有32公里SN 1987A的核心區(qū)域的時(shí)間要長(zhǎng)得多。中微子的數(shù)量與之前預(yù)計(jì)的總的中微子能量2.2 x 10 J吻合。這占到了超新星產(chǎn)生能量的絕大多數(shù)。

超新星遺跡

超新星中微子的能量能夠達(dá)到10 MeV的量級(jí)。 然而宇宙射線加速區(qū)域產(chǎn)生的中子星的能量能達(dá)到這個(gè)數(shù)值的100萬(wàn)倍。這些中微子是從超新星爆炸所遺留下的充滿(mǎn)擾動(dòng)的氣體中產(chǎn)生的。這種氣體被稱(chēng)為超新星遺跡。宇宙射線產(chǎn)生于超新星的假說(shuō)是由沃爾特·巴德和弗里茨·茲威基提出，后經(jīng)維塔利·拉扎列維奇·金茲堡等人修正為來(lái)源于超新星遺跡。它們認(rèn)為如果超新星加速效率若只是目前的10%的話，那么銀河系中宇宙射線缺失會(huì)被補(bǔ)償。金茲堡等人以超新星遺跡中的“沖擊波加速”機(jī)制論證他們提出的假說(shuō)。這一機(jī)制兼容于恩里科·費(fèi)米所提出的理論景象。盡管人們能觀測(cè)到甚高能中微子，但對(duì)于它的研究仍然非常處于初步階段。目前仍在進(jìn)行的對(duì)于銀河系中甚高能中微子的實(shí)驗(yàn)組包括 Baikal （ 英語(yǔ) ： Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope ） 、 AMANDA （ 英語(yǔ) ： Antarctic Muon And Neutrino Detector Array ） 、IceCube, ANTARES （ 英語(yǔ) ： ANTARES (telescope) ） 、NEMO以及Nestor。相關(guān)的 特高能γ射線 （ 英語(yǔ) ： ultra-high-energy gamma ray ） 信息由 VERITAS （ 英語(yǔ) ： VERITAS ） 、HESS以及MAGIC等觀測(cè)站提供的。宇宙射線間的碰撞在理論預(yù)測(cè)中會(huì)產(chǎn)生帶電π介子。這種粒子衰變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生中微子以及中性π介子。中性π介子進(jìn)一步衰變產(chǎn)生γ射線。中微子與γ射線可以在超新星遺跡中暢行無(wú)阻。

由超星系宇宙射線產(chǎn)生的更高能的中微子可以被 皮埃爾·奧熱觀測(cè)站 （ 英語(yǔ) ： Pierre Auger Observatory ） 以及ANITA觀測(cè)到。

大爆炸

物理學(xué)者猜想，正如大爆炸后所遺留的宇宙微波背景輻射那樣，宇宙中還會(huì)存在中微子背景輻射 。用來(lái)解釋宇宙中存在的暗物質(zhì)，中微子比起其他暗物質(zhì)可能的組成成分有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：它已被探明確實(shí)存在 。然而，這論述存在嚴(yán)重的問(wèn)題。在粒子物理相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，人們知道中微子質(zhì)量非常的小。這意味著其可以以趨近于光速的速度移動(dòng)。因此，由中微子組成的暗物質(zhì)被冠以“熱暗物質(zhì)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。問(wèn)題產(chǎn)生于其可以快速移動(dòng)，中微子可能會(huì)在宇宙膨脹令其降溫聚集成塊前就已在其中均勻分布。這會(huì)導(dǎo)致由中微子組成的那部分暗物質(zhì)被抹除，而不會(huì)參與生成人們所能看到的巨大星系。而這些星系及星系團(tuán)似乎是被速度不足以從中逸出的暗物質(zhì)圍繞。 而根據(jù)理論預(yù)測(cè)，在星系的形成和演化過(guò)程中，暗物質(zhì)是星系形成的引力核。這意味著中微子在暗物質(zhì)中并不占太大的組分。

依據(jù)宇宙學(xué)的理論推定，中微子背景輻射的密度大致為每種中微子在每平方厘米中有56個(gè)。對(duì)應(yīng)溫度在中微子質(zhì)量為零時(shí)為 1.9 K （ 1.7 × 10 eV ），如果中微子質(zhì)量超過(guò) 0.001 eV 的話，則會(huì)更低。盡管這一密度相對(duì)較高，但由于其中中微子能量低于目前探測(cè)手段所能探測(cè)的閾值，尚沒(méi)有觀測(cè)站觀測(cè)到它們。這與中微子極小的相互作用截面也有關(guān)系。與之形成對(duì)比的是，具有較高能量 8 B 太陽(yáng)中微子盡管密度較其低6個(gè)量級(jí)，但仍能被清晰地探測(cè)到。

探測(cè)

中微子并不能直接觀測(cè)，因?yàn)樗荒芰钪車(chē)奈镔|(zhì)發(fā)生電離 。 反β衰變 （ 英語(yǔ) ： inverse beta decay ） 可以用于檢測(cè)反中微子?？茰睾腿R因斯就是利用這一反應(yīng)發(fā)現(xiàn)反中微子的。利用這一反應(yīng)進(jìn)行探測(cè)需要體量非常大的探測(cè)器。現(xiàn)有的探測(cè)方法都需要中微子能量高于某一閾值。到目前為止，尚沒(méi)有探測(cè)低能中微子的方法，這是由于還沒(méi)有方法將中微子之間的相互作用，比如MSW效應(yīng)，與其他反應(yīng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。中微子探測(cè)器一般建于地下以隔絕來(lái)自宇宙射線和其他背景輻射的干擾。

反中微子是在20世紀(jì)50年代在核反應(yīng)堆附近發(fā)現(xiàn)的。萊因斯和科溫將兩個(gè)盛有氯化鎘溶液的靶放入水中，并在鎘靶旁放置兩個(gè)閃爍探測(cè)器。來(lái)自核反應(yīng)堆的能量高于 1.8 MeV 的反中微子與水中的質(zhì)子發(fā)生相互作用產(chǎn)生了正電子與中子。這與正β衰變非常類(lèi)似。在正β衰變中，質(zhì)子獲能轉(zhuǎn)化為中子，正電子（ e + ）以及電中微子（ νe ）。

正β衰變反應(yīng)式為：

科溫和萊因斯所采用的反β衰變的反應(yīng)式為：

所產(chǎn)生的正電子會(huì)與電子在探測(cè)器中湮滅產(chǎn)生能量約為 0.5 MeV 的光子。光子對(duì)分別會(huì)被位于靶上下兩側(cè)的閃爍探測(cè)器探測(cè)到。中子會(huì)被鎘核俘獲產(chǎn)生具有約 8 MeV 能量的γ射線。這一射線會(huì)在湮滅產(chǎn)生的光子被探測(cè)到后幾微秒內(nèi)被探測(cè)到。

自那以后，又產(chǎn)生了多種探測(cè)方法。超級(jí)神岡探測(cè)器的主體是一個(gè)體量非常大的盛有高純度的水的圓柱形容器。在其內(nèi)壁安裝有大量的光電倍增管，用以探測(cè)高速中微子在水中通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的切連科夫輻射。這一反應(yīng)會(huì)在水中產(chǎn)生電子和μ子。伯里中微子觀測(cè)站使用的探測(cè)原理類(lèi)似，但利用重水作為探測(cè)介質(zhì)。中微子在其中會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的效應(yīng)。 但中微子還會(huì)與氘原子發(fā)生光解，產(chǎn)生一個(gè)中子。之后他們利用氯原子俘獲這個(gè)中子，并探測(cè)產(chǎn)生的γ射線。巴克三等觀測(cè)站所采用的探測(cè)器其中會(huì)盛放大量的氯或鎵。研究人員通過(guò)定期檢測(cè)其中氬原子或鍺原子 數(shù)量是否增加來(lái)探測(cè)中微子。 MINOS （ 英語(yǔ) ： MINOS ） 使用耦合了光電倍增管的固體閃爍探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。 Borexino （ 英語(yǔ) ： Borexino ） 則采用液態(tài)偏三甲苯閃爍探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)使用光倍增管進(jìn)行檢測(cè)。計(jì)劃建設(shè)的 NOνA （ 英語(yǔ) ： NOνA ） 則使用液態(tài)閃爍探測(cè)器，同時(shí)使用雪崩光電二極管進(jìn)行檢測(cè)。位于南極的IceCube中微子觀測(cè)站則使用體積達(dá)到 1 km 密布著光倍增管的冰層作為探測(cè)介質(zhì)。

對(duì)于科學(xué)研究的助益

中微子質(zhì)量極小且為電中性。這令它與其他粒子及場(chǎng)的相互作用都非常微弱。這一特性可以令其成為具有高穿透性的探針，以探測(cè)光、無(wú)線電波等其它形式輻射所不能探測(cè)的環(huán)境。將中微子作為探針的這一想法始于20世紀(jì)中葉。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家試圖用它去探測(cè)太陽(yáng)核心的情況。太陽(yáng)核心并不能直接成像，因?yàn)槠渲械墓獾入姶泡椛鋾?huì)被那里的高密度物質(zhì)散射。而中微子在穿過(guò)太陽(yáng)時(shí)不會(huì)受太多影響。太陽(yáng)核心所發(fā)出的光子可能需要四萬(wàn)年的時(shí)間才能到太陽(yáng)的外層，但在那里通過(guò)核聚變產(chǎn)生的中微子則可以趨近光速的速度穿行其間而不會(huì)受到太多阻礙。

中微子對(duì)于探測(cè)太陽(yáng)系外的天體非常重要，因?yàn)樗悄壳耙阎奈ㄒ灰粋€(gè)在傳播過(guò)程中不會(huì)發(fā)生較大 衰減 （ 英語(yǔ) ： attenuation ） 的粒子。光子在傳播過(guò)程中會(huì)受到微塵、氣體分子以及背景輻射的阻礙或散射。由快質(zhì)子及原子核組成的高能宇宙射線囿于GZK極限不能傳播超過(guò)100Mpc的距離。中微子卻可以傳播更遠(yuǎn)的距離而幾乎不會(huì)衰減。銀河系的核心區(qū)域充滿(mǎn)著稠密的氣體與高亮度的星體。但在那里產(chǎn)生的中微子可以利用地面上的中微子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。

中微子對(duì)于超新星的觀測(cè)也是十分重要的。超新星核心發(fā)生坍縮時(shí)，其內(nèi)部密度以及能量都非常高。這會(huì)令除中微子以外的其他已知粒子都不能從中逃逸。而超新星近99%的輻射是以中微子短脈沖 形式發(fā)出的。 這些中微子對(duì)于探測(cè)核心區(qū)域的坍縮非常有用。

測(cè)定中微子的靜質(zhì)量對(duì)于宇宙學(xué)及天體物理學(xué)非常重要 。中微子是探測(cè)宇宙現(xiàn)象一種非常重要的途徑，是天體物理學(xué)研究者研究的重點(diǎn)之一。

中微子對(duì)于粒子物理學(xué)的發(fā)展非常重要。它的質(zhì)量非常小，可以作為標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)充中低能粒子理論的研究范例。

2012年11月，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)粒子加速器將一個(gè)相干中微子信息傳過(guò)了780英尺厚的巖石，首次實(shí)現(xiàn)利用中微子進(jìn)行的通信。未來(lái)的研究可能實(shí)現(xiàn)在不受中途可能遇到的像地核那樣高密度物質(zhì)影響前提下，利用中微子遠(yuǎn)距離傳輸二進(jìn)制信息。

參看

中微子天文學(xué)

中微子觀測(cè)站

小柴昌俊

注釋

^ 更準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō)是電中微子

^ 由于諾貝爾獎(jiǎng)原則上只頒發(fā)給在世者，而當(dāng)時(shí)科溫已去世20余年，所以他未能獲獎(jiǎng)。

^ 比如太陽(yáng)核心區(qū)產(chǎn)生的中微子傳播到地球的過(guò)程

^ 這里的“輕中微子”指的是質(zhì)量小于Z玻色子質(zhì)量一半的中微子。

^ 參見(jiàn) 科溫—萊因斯實(shí)驗(yàn) （ 英語(yǔ) ： Cowan–Reines neutrino experiment ）

^ 它是通過(guò)脈沖質(zhì)子束轟擊靶產(chǎn)生的

^ 參見(jiàn) 超光速中微子異常 （ 英語(yǔ) ： Faster-than-light neutrino anomaly ）

^ 四個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別為OPERA、ICARUS、 Borexino （ 英語(yǔ) ： Borexino ） 以及 LVD （ 英語(yǔ) ： Large Volume Detector ）

^ 即電弱相互作用中的表觀尺寸

^ 量子力學(xué)中，泡利不相容原理、表明，兩個(gè)全同的費(fèi)米子不能處于相同的量子態(tài)。

^ 力學(xué)中，動(dòng)量是物體的質(zhì)量和速度的乘積。

^ 即自旋角動(dòng)量方向與動(dòng)量方向反平行，右手性反之。

^ 在大統(tǒng)一理論所需的能量尺度下，參見(jiàn)翹翹板機(jī)制。

^ 這里是說(shuō)，反中微子來(lái)源于這四種同位素的裂變產(chǎn)物所發(fā)生的負(fù)β衰變。

^ 通常反應(yīng)堆核心產(chǎn)生的熱能中1/3可以轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)于這個(gè)熱功率為 4,000 MW 的反應(yīng)堆，其產(chǎn)電功率就是 1,300 MW ，剩余的 2,700 MW 就是純熱功率

^ 钚-239裂變產(chǎn)生的反中微子平均而言能量會(huì)比鈾-235裂變產(chǎn)生的略高。

^ 分別來(lái)源于核聚變與用以引發(fā)核聚變的核裂變。

^輕子數(shù)為1

^ 理論預(yù)測(cè)中子星就是來(lái)源于這一類(lèi)型的中子星

^ 這是由于中微子是電中性的。而它所能發(fā)生的一些效應(yīng)，比如MSW效應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生可以追蹤的輻射。

^ 這兩種原子分別為電中微子與上述兩種原子發(fā)生核反應(yīng)的產(chǎn)物

^ 持續(xù)時(shí)間在10秒左右

^ 參見(jiàn)暗物質(zhì)

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