天问专栏：撼动宇宙的小粒子——中微子

太阳不只赋予我们光，还发射了无数中微子，穿过我们的身体。图片来源：NASA

导读：

来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落，而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”，去给宇宙中微子们“称重”。

天问专栏第十六期，带你走进中微子称重现场。

撰文 | 刘 佳 （普林斯顿大学）

责编 | 吕浩然

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一个静谧的午后，我正试图向妈妈解释什么是中微子。

“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。”

“700亿？！”听到这个数字，妈妈吓了一跳，赶紧把手揣回口袋。

可事实却是，妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用：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，“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦！”

“不过不用担心，”我告诉妈妈，“中微子是无害的。”

然而，这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

消失的能量——中微子的发现

我们目前知道的有四种力：引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部，所以我们平时都感受不到。除了引力，中微子只参与弱力（比强力弱非常非常多），它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙，也不撞上任何其它粒子！

也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应，很长一段时间，我们都不知道它的存在。

1920年代，众多实验发现在β衰变中，能量守恒定理不管用了。按理说，中子衰变成一个质子和一个电子（n p e）的话，电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量，并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了！

这是怎么回事？物理学家们开始怀疑物理定律，觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

1930年12月4日，在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利（Wolfgang E.Pauli，1900 - 1958）让朋友在会上宣读了一封他的信，建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说，中子衰变后，除了质子和电子，还有第三个粒子被制造出来。