如何捕捉中微子,中微子如何产生

如何捕获中微子？

前两天刚写了一篇关于中微子的文章，其中写到中微子虽然在宇宙中大量存在，但却是一种隐身粒子，它很难与其他粒子或事物发生作用，于是很多朋友就很纳闷了，询问说既然中微子不与其他粒子或事物发生作用，那么怎样才能探测到中微子呢？其实中微子探测的确是非常难做到的事情，因为它实在太小，又太“懒惰”了，中微子是在放射性衰变和核聚变中产生的粒子，通常产生于质子和中子中，质子和中子本身就属于基本粒子，中微子产生于其上，质量当然更小，科学家认为它的质量只是电子的数万甚至数百万分之一，而且它不带电荷，也不与磁力感应，可以说与其他物质之间基本不发生作用，所以虽然他在宇宙之中大量存在，而且基本以光速在宇宙中穿越，但是我们却很难觉察它的存在，每秒钟就有上万亿的中微子穿越过我们的身体，但是我们却对其毫无察觉，来自宇宙中的高能中微子也时刻都在穿越地球，然而地球在它们面前就好像不存在一样，它们可以以光速瞬间穿过，有人计算认为如果想阻挡一束高能中微子，需要用五光年厚的铅板才能完全屏蔽它们。

中微子这一概念于1930年由奥地利科学家泡利提出，直到26年后的1956年才被发现，发现它的美国物理学家莱茵斯还因此获得了诺贝尔物理学奖，并且也开启了中微子物理学。也正是由于中微子无与伦比的穿透性，使得科学家们想到了独特的测量方法，而我们所在的地球表面，来自于外太空和大气层以及人类活动的各种电磁波基本粒子中微子等相互掺杂不易分辨，所以科学家们别出心裁的把中微子探测器放到了地下、水下或者冰下，那么这样一来，地球表面的光子中子射线等各种粒子就无法进入到这里，因此只剩下了中微子，那么只要我们检测到中微子引发的物理活动，都可以感知中微子的存在了。

其实这也导致了一种十分奇特的现象，就是我们研究宇宙以及宇宙粒子的各种探测器材及望远镜等都在地表甚至在太空中，然而用中微子研究宇宙的探测器却只能深埋于地下，水下或者冰下，只能在地球的内部通过它们研究地球外面的广阔宇宙。中微子探测器监测原理是这样的，它并非直接观察中微子，因为中微子其实至今都是看不到的，它观察的也是中微子引起的原子的反应，当有中微子撞击到原子核上时，就会引起原子核上的一系列变化，从中就可以预判撞击它的中微子的情况。

很显然，在地球的表面，用这种方法检测中微子是不现实的，因为有很多种基本粒子都可以对原子核内部产生影响，但是在很深的地下、水下或者冰下，那么中微子以外的其他粒子就到达不了，因此就可以判断中微子的活动了。上世纪60年代初时，美国宾夕法尼亚大学的戴维斯首先为监测地球外中微子做出了贡献，他将整整一节铁路槽罐车的四氯乙烯液体放在1600多米深的一个金矿中，厚厚的岩石覆盖层保护着这节槽罐车，基本只有中微子能到达这里，世代为师就发现了一些来自太阳的中微子穿越槽罐内的四氯乙烯液体，把其中微量氯原子核转变成了氩原子核，由此实验确定了太阳也是一个巨大的中微子发射源，并且他从出现的误差里面发现了中微子可以分为三种，而且它们可以相互转换，戴维斯由此也获得了诺贝尔物理学奖。

后来物理学家们以戴维斯的实验方法为基础并扩大了规模，他们在北美、欧洲和日本的矿井或隧道中建造了几处第二代中微子检测器，用更加有利于检测的超纯水作为中为止的靶体，当中微子穿过这些水的时候，如果有一个与水中的氢或氧原子核发生相互作用，就会产生一种带电粒子，表现为发射出一个锥形的浅蓝色光脉冲，物理学上称为“切伦科夫辐射”，当这种辐射被检测到时，可以从其反应上判断中微子的情况了。

后来科学家们又想到了一个新方法，他们对南极洲几公里厚的冰层打起了主意——在冰层下1450米之下的地方放置中微子探测器，有些探测器的深度达到2500米，科学家们将这一探测器称为“冰立方”，当一颗中微子击中“冰立方”中某个原子核的时候，产生的反应会出现闪光。检测器就把信息传输到地面，科学家们就可以从中分析中微子的特性，并确定它们的能量及其来源。

中微子是怎样产生的？

最早预测中微子是19实际20年代了。查德威克那时候刚发现不久中子，知道原子核有中质子中子，但是观测时候发现以原子核中除了发射出α射线γ射线外，还有β射线，按照当时理论认为，原子核内是没电子的，不应该有β射线出现（原子核只有中子和质子，只能带正电的α射线出现和光子形式的γ射线出现才对），当进行测量后发现β射线带着一部分能量莫名其妙消失了，当时玻尔还把这个现象认为是量子领域的正常现象（波尔认为量子领域是概率的，小范围能量不守恒是允许的，但是大范围还是守恒的）。

这时，泡利认为不应该舍去我们坚持百年的能量守恒，他认为只要有一种新的粒子带走能量不就行了，只是这个粒子我们还没发现，我叫他中子，后来费曼改成中微子。直到1956年才首次发现了中微子的痕迹；中微子诞生于原子核中的中子，中子可以衰变，中子衰变会变成质子和一个电子和一个中微子。（由于电子有电子、μ子、τ子，中微子也有对应的μ型中微子（1962年发现）和τ型中微子（1975年发现）一共3种，再算上每一种中微子都有相同的反中微子，那么一共6种）中微子质量大约是百万分之一的电子质量，非常非常小，接近光速运动，所以非常难观测，目前中微子的性质科学家还没能搞清楚，因为实在太难观测了。

中微子是怎么发现的？

在19世纪末，20世纪初核物理是科研中的处女地，十分诱人，许多科学家为之着迷，有哈恩、有费米、有斯特拉斯曼、海森堡、泡利、居里夫人等。如果你把大拇指竖起来，每一秒钟，就有700亿中微子从你的拇指中穿过。一颗中微子在太阳内核产生后，只要2秒就可以离开太阳表面，然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒科学家在研究阿尔法、贝塔、伽马衰变过程中，测量出的阿尔法衰变和伽马衰变时能谱是不连续的，这也符合当初的认识——在量子世界中，发生能级跃迁释放能量，能量是一份一份发出，一份一份被吸收的，既然是一份一份的，那么不同的粒子能量就是不同的，并且之间应该是固定的能量差值，每堆粒子都有固定的能量，能谱当然不可能是平滑的。

但是在研究贝塔衰变时，测量出的能谱竟然是连续的，平滑的，这违背了能量一份一份的吸收的原理，显然是不符合能级跃迁，按份发射能量的规律，这时科学家就在猜测，是不是在贝塔衰变时还有一种粒子放出了，由于这种粒子“偷走”了部分能量，使得能谱变得连续了。如果是普通人提出这种猜想肯定是不受重视的，甚至被认为是疯子，但是提出这种猜想的是当时的大物理学家——奥地利物理学家泡利（就是那个泡利不相容原理的提出者），泡利给这种粒子去了一个名字就叫中微子。

人类科技目前是如何探测中微子的？

这是个有趣的核物理问题，《三体》中提到未来世界用中微子来通讯。如果和朋友聊天文，聊物理，你说你知道中子，那只能证明你是一个理科生，如果你说你知道中微子，那至少可以证明你曾经学过并且认真上过大学物理，还有另一种可能——你认真的看了我这篇文章。中微子可以说是宇宙间已经被证明存在了的最强“隐者”，预言的很早，探测证明过程却不是那么容易的。

中微子质量及其微小，并且不带电荷，来无影，去无踪，穿透力更是惊人，可以自由穿过地球，因为与其它物质相互作用极其微弱，100亿个中微子中大概只有一个会与物质发生反应。中微子探测方法1、中微子射到水里后产生契伦科夫辐射，通过测量契伦科夫辐射就可以间接测到中微子，日本神冈探测器就是这样的原理，神冈探测器在地下1000米，当然为了增强信号，采用了11200个光电倍增管才观测到微弱的信号。

下面为超级神冈探测器具体参数：神冈核子衰变实验（KamiokaNDE），于1982年开始建造，1983年完工，圆柱形容器高41.4米，直径39.3米，装有5万吨高纯度的水和11200个光电倍增管2、我国广东江门在2015年开始建设中微子项目，探测来自阳江核电站和台山核电站的中微子，整个探测器为了减少干扰，建设在地下700米下，探测器做的非常大，采用大型液体闪烁体探测器，然后用光电倍增管进行放大探测信号。

中微子是怎样产生的？它携带信息吗？

谢谢 @海是一首歌 邀答。下面这幅图，可理解为三种中微子的质量叠加的关系。不过，本答文不探讨这个问题。▲就质量而言，电子中微子ν(e)=1个上夸克u，缪子中微子ν(μ)=2u，陶子中微子ν(τ)=4u。本题很难，难在量子场论使问题特别复杂，不“耍赖皮”，不“耍流氓”，就根本无解。以下是笔者的简约方法，仅供参考。

通常，放射性原子，如氘/氚/铀/鈈，其中的中子会衰变，释放电子与中微子。尤其，核剧烈反应所释放中子寿命约16分钟，变成质子电子与电中微子即：n→p e ν(e)。此质子与电子与中微子，都是物质波，作为移动震源，分布激发真空场介质，产生电磁波。根据能量守恒，有：½mv²=hc/λ...(2)，由式(2)可求各自激发的电磁波频率与波长。

中微子速度v几乎等于光速，假设：v=0.99c，中微子激发电磁波的波长：λ=2hc/mv²...(3)。问题是中微子的质量m。有学者认为，中微子质量=上夸克，是电子的2.34÷0.511=4.58倍。中微子有恒定的质量：m=4.58×0.911e-30 =4.17e-30[kg]，其激发的固有电磁波波长：λ≈2h/mc=2×6.63e-34÷(4.17e-30×3e8)，即：λ=1.06[pm]，即，中微子的康普顿波长为1.06皮米，而我们知道，电子康普顿波长2.42皮米。