中微子是一种电中性的基本粒子，通过弱相互作用和引力与其它物质发生相互作用，其中弱相互作用力程很短。中微子质量极小，历史上很长一段时间内人们认为中微子质量为零。由于中微子的上述性质，中微子与其它物质的相互作用很小，通常可以几乎不受阻碍地通过正常物质，因此很难被检测到。中微子是费米子，自旋是1/2。到目前为止，还没有实验表明中微子具有非零磁矩。中微子通常用希腊字母ν表示。

弱相互作用中产生的中微子有三种不同的味，分别是：电子中微子νe、μ子中微子νμ、τ子中微子ντ。在带电流反应中，每种味的中微子都与名字中对应味的带电轻子是关联出现的。现有粒子理论中，中微子有三个不同的质量本征态，具有特定味的中微子是三种质量对应量子态的线性叠加，中微子会在不同的味之间震荡。截至2024年，中微子的三个质量本征值目前为止尚不清楚，但是通过粒子实验和宇宙学观测得到了三个质量本征值平方差的上限1”。

每种味的中微子都存在其反粒子，被称为各自的反中微子，自旋是1/2且没有电荷。中微子和反中微子有符号相反的手性和弱同位旋

研究历史

泡利的猜想

中微子最早于1930年由沃尔夫冈·泡利(vɔlfɡaŋ ˈpaʊli)提出，以解释衰变的能量、动量、角动量守恒。泡利假设了一个具有与电子相似的质量的未被探测到的中性粒子，并称之为“neutron”2。与泡利不同，尼尔斯·玻尔(Niels Bohr, ˈne̝ls ˈpoɐ̯ˀ)提出了守恒定律的统计版本来解释衰变中观察到的连续谱2。

根据费米衰变理论，查德威克认为大的中性粒子可以衰变成质子、电子和较小的中性粒子 （1）

费米写于1934年的论文将泡利的中微子的猜想与保罗·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)的狄拉克场和维尔纳·海森堡(Werner Karl Heisenberg, ˈvɛʁnɐ kaʁl ˈhaɪzn̩bɛʁk)的中子-质子模型统一起来，为未来的研究奠定了基础3。

直接探测

1942年，王淦昌首次提出了使用反贝塔衰变捕获来探测中微子4。1956年，小克莱德·洛林·考恩(Clyde Lorrain Cowan)弗雷德里克·赖因斯(Frederick Reines)等人发表了他们探测到中微子的实验5，这项工作获得了1995年诺贝尔物理学奖。

在发现中微子的实验中，发生β衰变的核反应堆产生的反中微子与质子反应产生中子和正电子 （2）

其中正电子很快就会和电子相互湮灭，产生可以观测的γ射线。中子会被特定的原子核捕获，并释放射线。

1965年2月，包括Frederick Reines在内的一个实验小组在南非博克斯堡附近的东兰德金矿3km深处的腔室中发现了自然界中的中微子，这是人类首次在自然界中发现中微子6。

中微子的味

克莱德·考恩和弗雷德里克·赖因斯发现的中微子是电子中微子的反粒子。1962年，莱昂·马克思·莱德曼(Leon Max Lederman)、梅尔文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)通过检测中微子的相互作用，证明了不止存在一种类型的中微子7，这个成果获得了1988年诺贝尔物理学奖。

1975年，斯坦福线性加速器中心发现第三种轻子子时，人们也预计它也有一个相关的中微子。2000年，费米实验室宣布检测到了中微子的相互作用8。

太阳中微子问题

在20世纪60年代，霍姆斯塔克实验首次测量了来自太阳核心的电子中微子的通量，得到了一个介于标准太阳模型所预测的通量的三分之一到一半的结果，这被称为太阳中微子问题。这个问题在其后三十多年的时间内一直没有得到解决。科学家们猜测，三种中微子的质量不为零且不相等，因此飞向地球的时候会振荡成无法被探测到的味，这开辟了对中微子振荡的研究。

中微子振荡

1957年，布鲁诺·庞特科沃(ponteˈkɔrvo,Bruno Pontecorvo)类比Κ介子振荡，提出了一种研究中微子振荡的实验方法。在之后的十年里，他发展了中微子振荡的理论。1985年，斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫(Станисла́в Па́влович Михе́ев)和阿列克谢·斯米尔诺夫(Алексе́й Ю́рьевич Cмирно́в)指出，当中微子在物质中传播时，味振荡可以被改变，这就是著名的MSW效应。这对于理解太阳中微子问题非常重要，因为太阳核聚变发射的中微子到达地球前会穿过太阳核心中的致密物质

2001年，超级神冈探测器合作组发表了他们对于太阳中微子问题的结果9。超级神冈探测器用水作为探测手段，因此对三种味的中微子都能很精确的探测。实验过程中发生的时弹性中微子-电子散射

（3）

出射的电子在水中放出切伦科夫辐射，从而可以被探测到。中微子探测器对电子中微子的探测效率是其它两种中微子的6.5倍多。实验结果是，电子中微子的数目是45％，这解释了太阳中微子问题。与此同时，萨德伯里中微子天文台也在进行着相似的实验，他们给出的数值是35％。

近现代研究

1998年，日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象。日本梶田隆章获2015年诺贝尔奖。1998年以后，一系列令人信服的中微子振荡实验表明中微子具有微小的静止质量，而且轻子的味混合效应很大。这是唯一具有坚实实验证据、超越标准模型的新物理现象。携带微小质量的中微子既可以是狄拉克粒子，也可能是马约拉纳粒子，后者的反粒子即其自身。倘若中微子的确是马约拉纳粒子，则无中微子的双β衰变就能够发生，但实验上尚未观测到这类轻子数破坏的稀有过程。

2000年，美国费米实验室宣布τ中微子存在这一重大成果。

2001年，加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。最早提出建设思路的是华裔物理学家陈华生博士Herbert H. Chen（美国普林斯顿大学理论物理博士学位，加州大学欧文分校物理学家）。加拿大阿瑟·麦克唐纳获2015年诺贝尔奖。

2002年，日本KamLAND实验用反应堆证实太阳中微子振荡。

2003年，日本K2K实验用加速器证实大气中微子振荡。

2006年，美国MINOS实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。

2007年，美国费米实验室MiniBooNE实验否定了LSND实验的结果。

2012年3月8日，大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。该发现被认为是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。

理论

性质

中微子是费米子，自旋是。中微子是轻子，且是电中性的，因此它们只有弱相互作用和引力相互作用。由于中微子的质量不为零，因此在理论上允许中微子存在磁相互作用呢。但是到目前为止，还没有实验表明中微子存在非零磁矩。

弱相互作用会产生三种味的中微子：电子中微子νe、μ子中微子νμ、τ子中微子ντ在若相互作用中三种味的中微子与其对应的轻子关联

在历史上的很长一段时间里，人们认为中微子是没有质量的。现在已知中微子味本征态与中微子质量本征态是不同的。中微子有三种离散的质量本征态，中微子的味本征态是三种离散质量对应的本征态的线性叠加。目前科学界还不知道这三个离散质量的具体数值，不清楚三者中哪一个更重，但是这三个质量的平方差绝对值是已知的10。根据宇宙学测量，计算出三个中微子质量之和必须小于电子的百万分之一11

中微子和反中微子手性不同。中微子的自旋总是左手的，而反中微子的自旋总是右手的

中微子振荡

理论

布鲁诺·庞特科沃提出的中微子振荡的理论相当简单，所用到的理论几乎只涉及量子力学的基础知识。考虑只有两种中微子的情形，例如。量子力学中自由传播的哈密顿算子的本征态就是质量本征态。如果一种味的中微子可以自发地转化成另一个味的中微子，那么这意味着这两个味本征态都不是哈密顿量的本征态，真实系统的定态是这两个态的正交线性组合

（4）

根据薛定谔方程，这些本征态的时间演化是

（5）

假设初始时，中微子的味时电子中微子。可以计算，经过一段时间后，子中微子的态演化到

（6）

相应地，电子中微子转化为子中微子的概率是

（7）

一个质量是m，动量是的相对论性粒子的能量是。代入（7），得到 （8）

我们可以看到，中微子振荡的必要条件是：1.质量本征态是味本征态的线性叠加；2.不同味的中微子之间必须有质量差

中微子质量测量

根据式，我们可以看到，中微子振荡与质量平方之差有关。设质量平方差，那么这三个质量平方差只有两个是独立的。基于中微子振荡理论， 我们可以通过测量中微子震荡的概率来测量上述的质量平方差，但是直到目前位置测量单个中微子质量仍然是很难的

MNS矩阵

在中我们只考虑了两种中微子之间的振荡，但是实际上有三种中微子相互振荡，我们可以用MNS矩阵来描述

（9）

态必须是相互正交的，考虑幺正性要求，MNS矩阵可以近似用三个角度和一个相因子来表达，可以将矩阵写成如下形式

（10）

在实验上测得

弱相互作用-

弱相互作用的媒介粒子是 或 和 。这些传递相互作用的玻色子都是很重的，实验中测得其质量

（11）

对于自旋为1的有质量粒子有三种不同的极化 (-1,0,1) ，而无质量的粒子（如光子）只有两个。因此，对W 和 Z ，我们只需对其施加洛伦兹条件

（12）

自旋为 1 的有质量的的玻色子可以用克莱因-戈登场来描述，传播子是

（13）

弱相互作用理论的费曼图中基本的轻子顶角如下图所示

其中表示任意类型的轻子，是味与之对应的中微子或反中微子

来源

核反应堆

核反应堆的中微子是人工产生的中微子的主要来源。核反应堆中的能量大部分都是通过裂变产生的，裂变产生的富含中子的核素迅速经历额外的β衰变

(14)

加速器

在一些粒子加速器中，质子与固定标靶碰撞，产生带电的介子。这些不稳定的粒子被聚焦到一个长隧道中，在高速运动的过程中衰变。由于衰变粒子的运动速度满足相对论性的要求，中微子以高速前冲的粒子束的形式产生。这被称为“中微子工厂”

对撞机

对撞机中可以以非常高的能量产生各种中微子和反中微子。2023年，欧洲核子中心的大型强子对撞机上的FASER实验组报告了对中微子的直接观测结果12

地质学

在地球中的等238U,232Th,40K同位素会发生发射反中微子的衰变，这可以为我们提供丰富的有关地球内部的信息

大气

大气中微子是宇宙线与大气层的原子核相互作用的结果。宇宙线与大气层中原子核作用后产生的很多粒子都不稳定，发生衰变后会产生中微子。1965年2月，包括Frederick Reines在内的一个实验小组在南非博克斯堡附近的东兰德金矿3km深处的腔室中发现了宇宙线与大气相互作用的中微子，这是人类首次在自然界中发现中微子6

太阳与恒星

根据标准太阳模型，太阳中的核聚变为太阳燃烧提供能源。太阳中发生的主要核反应可以由质子-质子循环反应过程来描述，如图所示

可以看到其中的多个反应会产生中微子。在一些更加年老的恒星中，循环或反应占主导地位，反应如图所示

宇宙大爆炸

在宇宙大爆炸的最初一瞬间，它与光子是原初宇宙的基本构成粒子，光子占宇宙能量密度的28%，中微子则占72%；到宇宙大爆炸38万年之时，中微子在宇宙能量密度中的比例仍达10%。后来，它的份额已不到1%。但是，不要忽视这不足1%的份额，在宇宙空间中，由原子构成的物质世界也只占不到5%，其余95%以上都属于暗物质与暗能量，中微子就是暗物质的一种。

超新星爆发

恒星演化晚期，恒星核心部分通过逐级热核反应，一直进行到合成铁，此时核燃料用尽，核反应变缓直至中止，强大的引力使原子核的中子化过程加剧，而放射出大量中微子。强大的中微子束会产生足够大的压力，将恒星外壳吹散而形成猛烈的超新星爆发，并在爆发的最初几秒钟内产生中微子暴，被吹散的外壳形成星云状的超新星遗迹，中子化的核心留下来形成中子星。这类中微子的能量基本上在几十兆电子伏量级。

高能中微子源

宇宙中的一些高能天体可产生高能中微子，如活动星系核、宇宙距离的γ射线暴等。理论尚不能清楚地解释能量高到银河系的尺度容不下的宇宙线是如何产生和加速的，而把宇宙线核子加速到很高能量，必定会因π、μ的中微子过程而产生高能中微子。能量在几百亿电子伏以上的高能中微子的源将直接与非常高能的宇宙线的源相关联。

来源: 百度百科

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