小中微子支撑起的“伟业”

为了研究中微子的性质，各国建造了大量探测设施，比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、意大利的“宏观”、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。

1994年，美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下800米深处安装辐射探测器，以观测来自宇宙射线中的中微子。使用南极冰原作为探测器的安置场所，是因为冰不产生自然辐射，不会对探测效果产生影响。此外，把探测器埋到深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。

宇宙中微子的产生有几种方式。一种是原生的，在宇宙大爆炸中产生，现在为温度很低的宇宙背景中微子。第二种是超新星爆发巨型天体活动中，在引力坍缩过程中，由质子和电子合并成中子过程中产生出来的，SN1987A中微子就是这一类。第三种是在太阳这一类恒星上，通过轻核反应产生的十几兆电子伏以下的中微子，我们刚刚讨论的太阳中微子就是这种中微子。第四种是高能宇宙线粒子射到大气层，与其中的原子核发生核反应，产生π、K介子，这些介子再衰变成中微子，这种中微子叫“大气层中微子”。第五种是宇宙线高能质子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞产生π介子，这个过程叫“光致π”。π介子衰变产生高能中微子，这种中微子能量极高。第六种是宇宙线高能质子打在星体云或星际介质的原子核上产生核反应生成的介子衰变为中微子，特别在一些中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中微子。第七种是地球上的物质自发或诱发裂变产物β衰变产生的中微子，这类中微子是很少的。总之，从宇宙的演化、星系的形成和演化等等直到太阳能源的产生，中微子都扮演着重要的角色。

自然界中的碳循环

例如，太阳中的核反应、碳循环，看起来很像二氧化碳合成葡萄糖的那个循环。在这个循环中，中微子在其中都扮演着主角的角色。该循环对太阳核反应的贡献远小于质子质子循环，而更多地出现在更大质量恒星的核反应中。

如果再往前追溯，我们会问，恒星中哪儿来的这么多氢和氦呢？这是宇宙大爆炸后的核合成时期形成的。宇宙“最初三分钟”的一种弱相互作用导致的核反应决定了质子和中子的比例。我们知道氢原子核中只有质子，而氦原子核当中有质子和中子。因此，是最初三分钟的弱核反应决定了我们宇宙的原初元素组成。这是名副其实的中低端“制造业”了。如果这个“制造业”当初稍有偏差，改变了质子中子的比例，也许宇宙中的星系、恒星、行星、生命等高端“制造业”就永远无法出现了。

顺便提一下，现在人们发现弱相互作用的应用越来越广泛，例如医院放射科用于治疗癌症的钴60，测定文物年代的碳14等。因此，弱相互作用虽然不起眼，但对于宇宙、对于人类来讲仍然是至关重要的。弱相互作用的代表粒子就是中微子，它同时也参与引力相互作用。中微子的质量只有电子的百万分之一，不参与电磁相互作用，当然也就不带电。此时，我们一定能够理解中微子的名字和它的特征之间的关系——它是一种中性的、微小的、只参与两种相互作用（弱相互作用与引力相互作用）的基本粒子。

最后我们稍微深入地探讨何以中微子具有静止质量，就会发生振荡呢？原来这纯粹是一个量子现象，中微子存在着三个本征态，我们记为1、2、3。如果中微子没有静止质量，这三个本征态就是电子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子。他们彼此之间不存在耦合，也不会相互发生转变。但是中微子具有静止质量，那么物理世界存在的中微子就是这三种本征态的线性叠加态，这种叠加导致他们相互之间可以转化，也就是所谓中微子振荡。一种中微子变成另外一种，就叫做振荡。3种振荡的量化描述，3种振荡可以用振荡耦合参数θ12、θ23和θ13描述。其中θ12和θ23已经被科学家们通过大气中微子和太阳中微子实验测量到了。聪明的读者很快就会想到，还应该有一个振荡参数θ31，是否测量到了呢？直到2012年之前，答案是否定的。2012年在中微子的研究史上，这个具有里程碑的性质的重大发现，被我国科学家在大亚湾测量到振荡参数θ31。

因此，中微子振荡发生的前提是中微子必须有静止质量。换言之，如果能测出中微子振荡现象，即可由此确定相应的中微子静质量。我们已经讲过，此次超级神冈协作组测量的实际上是vμ→μΤ的振荡现象，由此推得mvμ大致为0.03～0.1电子伏，自然很小，但也足以解释太阳中微子的丢失问题。此次测量较以往工作具有规模大、事例率高的特点，又加上屏蔽探测器减少了背景干扰，因此实验精度高，置信水平有很大提高。