中微子的发现

　　虽然中微子这种新粒子在1930年就由物理学家泡利提出，但第一个验证中微子存在的实验却得到1956年才完成。中微子探测的难度极大，因为它和其它物质发生反应的几率极小。在中微子提出后的二十多年里，美国兴建了多个核反应堆。包括我国物理学家王淦昌在内的一些物理学家意识到，核反应堆附近每秒每平方英寸有300万亿个反电子型中微子，如果探测器足够大，是有可能从这么多中微子里探测到信号的。

　　1956年，这项实验由美国物理学家费雷德里克·莱茵斯和克莱德·科万完成。他们选用氢核（质子）作为靶，通过探测中微子与质子的反应，直接证实了中微子的存在。莱茵斯因此于1995年获得了诺贝尔奖（让人遗憾的是，科万于1974年去世了，否则他也有机会分享此殊荣）。下图所示内容为，两位科学家宣布发现中微子的电报。

　　宣布中微子发现的电报

　　霍姆斯塔克实验与萨德伯里中微子观测站

　　太阳为我们带来的光明和能量，同时也带来了无数看不见摸不着的中微子。物理学家们希望能探测到这些中微子，因为它们包含有太阳内部的重要信息。有两个著名的实验，就把它们的目标放在了太阳中微子上。

　　1964年，物理学家雷·戴维斯和天文学家约翰·巴卡尔在美国南达科他州的霍姆斯塔克金矿中进行了中微子探测实验。这个实验选择了1600多米深的地下，这是因为相比极难探测的中微子，闯入地球大气层的宇宙射线信号要强烈的多，如在地面探测，中微子信号很容易淹没在宇宙线信号中。而厚厚的岩石就对宇宙线设立了屏障，让探测器处在一个“安静”的环境里。另外，为了尽可能多的收集中微子信号，霍姆斯塔克实验的探测器靶体很大，用了40万升的四氯乙烯液体，中微子撞在氯核上，通过弱相互作用，有很小的概率会把氯核变成氩核。戴维斯等科学家通过寻找氩核来探测中微子。

　　霍姆斯塔克实验首次成功测量到了太阳产生的中微子，但结果还是有些出乎意料。探测到的中微子数量只有根据标准太阳模型计算出来的三分之一，有三分之二的中微子不翼而飞。这让科学家们大惑不解，一方面寻找理论计算中的错误和漏洞，另一方面重复实验，持续测量了30多年。测量结果始终没有改变，其它实验组也相继做了类似的实验，都得到相同的结果。这就是著名的太阳中微子丢失问题。为了解释理论计算与实验结果的差异，有些天文学家开始怀疑太阳模型可靠性。另一方面，意大利的物理学家布鲁诺·庞蒂科夫在实验之初就提出可以用中微子振荡来解释这个问题。1986年，前苏联物理学家斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫与阿列克谢·斯米尔诺夫将美国物理学家林肯·沃芬斯坦的中微子与物质的相互作用理论应用于太阳中微子问题，提出了物质增强的太阳中微子振荡解释。太阳产生的是电子中微子，但在电子中微子从太阳核心飞出的过程中，会转变成其它两种中微子：缪子中微子和陶子中微子。霍姆斯塔克实验只能探测电子中微子，无法探测其它两种。

　　1999年，萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory，缩写为SNO）接过了太阳中微子探测的接力棒。这个实验继承了霍姆斯塔克实验的优良传统，把探测器放在加拿大安大略省一个2100米深的矿坑中。但是他们使用了新的中微子探测方法，即根据高速粒子通过介质时发出切伦科夫光的现象来探测中微子，这种方法对三种中微子都有效果。2001年，在萨德伯里中微子观测站发表的结果中，把失踪的中微子都找回来了，结果表明太阳中微子从太阳核心产生后部分转化成了其它类型的中微子。

　　雷·戴维斯超越时代的实验结果在近40年后才终于被人们所理解，这也使他在2002年荣获诺贝尔物理学奖。

　　SNO 实验探测装置图

　　神冈和超级神冈实验

　　神冈与超级神冈探测器和上述太阳中微子探测器一样，也颇为青睐矿井，它位于日本岐阜县飞騨市神冈町（旧吉城郡）神冈矿山的一个深达1000米的废弃砷矿中。它有着辉煌的历史和丰富的物理成果，最初名为神冈核子衰变实验，1983年建成，由一个装有3000吨水圆柱形容器和1000只光电倍增管构成，最初的目标是探测质子衰变。1985年进行第一次扩建，实验也改名为神冈核子衰变实验二期。1987年2月，神冈探测器记录到了来自大麦哲伦星云中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的中微子，为恒星衍化研究提供了宝贵的资料。

　　到了20世纪90年代，神冈探测器进行了第二次扩建，这一次规模扩大了10倍，用了5万吨超纯水和11200个光电倍增管，并改名为气势十足的超级神冈探测器。1996年，超级神冈探测器开始取数。超级神冈探测器也通过切伦科夫光来探测中微子，除了太阳中微子，超级神冈实验主要用来探测大气中微子信号。这种中微子是宇宙线轰击地球上层大气的产物，以两种类型出现，分别是电子中微子和缪子中微子。超级神冈探测器可以区分由上方大气层产生自上而下穿过的中微子和由地球另一端的大气层产生自下而上穿过的中微子。测量结果显示，传播不同距离的中微子的数目也不同，也就是中微子在传播中发生了振荡现象（之后更精确的的数据分析表明，主要是其中的缪子中微子主要转变成第三种中微子，即陶子中微子。）。 1998年，超级神冈实验的领导人之一，小柴昌俊先生的学生梶田隆章在中微子1998会议上发表了实验的测量结果，第一次证实了中微子振荡现象的存在。虽然最初的目标质子衰变并没有探测到，但神冈和超级神冈实验“幸中副车”，凭借物理学家们严谨勤奋的研究，收获了丰硕的成果。2002年，小柴昌俊由于观测到1987A超新星中微子和前文提到的雷·戴维斯分享了诺贝尔物理学奖。

　　图为实验人员在超级神冈探测器内部检修

　  大亚湾中微子实验

　　大亚湾中微子实验位于中国广东省深圳市大亚湾，这个实验延续了1956年费雷德里克·莱茵斯等人发现中微子实验的血脉，同样通过探测中微子和质子的反应来研究中微子。虽是基于相同的物理原理，实验技术却经过了半个世纪的进化。精度是大亚湾中微子实验的关键词，运用了能量分辨更好的液体闪烁体来捕捉中微子的信号，并建造了8个探测器，分别安装在3个实验厅，通过不同距离间的相对测量来抵消误差。这个实验的目标，是要测量前文提到的太阳中微子振荡、大气中微子振荡之外的第三种中微子振荡模式，并精确测量其振荡几率，进而定出物理模型的参数。这种振荡效应是非常小的，21世纪初，许多物理学家认为其几率接近0。正因为此，大亚湾中微子实验设计上就走在了精度的最前沿。

　　北京时间2012年3月8日14时，大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，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，极大地完善了中微子振荡理论，并对进一步理解宇宙物质-反物质不对称具有重要的指标性意义。

　　水池中的中微子探测器