中微子能轻易穿透地球太阳和宇宙，它们是怎么被找到的？

　　中微子是一种神奇的物质
　　当你开始读这篇文章的时刻，每一秒钟都有650亿个中微子穿过你的眼睛，同时有更多的中微子穿过你的身体、你的房子和这个地球，但你却无法发现它们。
　　宇宙中充满了中微子，我们却无法看见它
　　科学家们最初是不知道有中微子这样一种物质存在的。
　　中微子从原子核的变化中诞生，又可以反作用于质子，把它变成中子；它因为有极小的质量，所以只能接近光速而不能达到光速，但它却是宇宙中跑得最远的粒子。光子虽然速度更快却很容易被阻挡，但中微子不会，它几乎可以穿透一切。
　　由于中微子一直被制造出来，它又很难被捕获被吸收，所以科学家们认为宇宙中的中微子数量可能比质子多10亿倍以上，它的存在极可能与暗物质、暗能量以及众多未解的物理学谜题有关。因为找到这种到处都有、却又来去无踪的幽灵粒子，物理学家们至今一共得到四次诺贝尔物理学奖，这也从另一个角度说明了中微子研究的重要性。中微子概念的提出
　　我们知道物质都是由原子构成，原子在希腊语中意思是＂不可分割＂，后来科学家发现原子还可以再分，它由原子核和围绕在原子核周围的电子组成，而原子核又由质子和中子构成。再后来又发现质子和中子还可以再分成上夸克和下夸克，以及将夸克们＂绑＂在一起的规范玻色子（胶子）。夸克、玻色子和电子都被称为亚原子粒子。
　　目前已知的基本粒子
　　在19世纪后期，科学研究人员对一种称为＂β衰变＂的现象感到困惑。在核物理学中，β衰变是一种放射性衰变，其中β射线（快速高能电子或正电子）会从原子核里自发地发射出来。在β衰变中，粒子的能量只减少了极少一点，并且质子静止的，它没有遭到撞击。这似乎违反了能量守恒和动量守恒这两个基本物理定律。
　　1930年，物理学家沃尔夫冈·泡利（我们最熟悉他的＂泡利不相容原理＂）提出这样一种观点：有一个额外的粒子可能会带着缺少的能量和动量从原子核中飞出来了。泡利跟他的朋友德国天文学家沃尔特·巴德说＂我做了一件可怕的事情。我已经假设了一个无法检测到的粒子！＂他的意思是他假设的中微子非常可怕，它几乎没有质量，并且几乎不会跟任何东西发生作用。
　　中微子理论的提出者沃尔夫冈·泡利
　　事实上，泡利当时给中微子起的名字叫＂中子＂。1932年，英国物理学家查德威克发现了原子核里有一个更大质量的不带电粒子，他称这个新发现的粒子叫＂中子＂，因为他没意识到这个中子与泡利的＂中子＂有什么不同。1933年，另一位物理学家费米发现这是两种不同的东西，他在＂费米的β衰变理论＂中称：查德威克的＂大中子＂可以衰变为质子，电子和＂小中子＂：
　　费米的β衰变理论
　　用直观的图形可以这样表示：
　　自由中子β衰变为一个质子、一个电子和一个电子反中微子
　　泡利提出中微子概念并一直坚持它的存在，并非表示他发现了中微子，而只是为了平衡放射性物质发生β衰变时明显丢失的能量。在此后的几十年里，科学界一直都在寻找这个如幽灵一样的粒子，但总是束手无策。找到中微子
　　中微子之所以不容易找到，就是因为它极小并且不带电，所以中微子不与其它粒子相互作用，除非它与质子迎头相撞。由于宇宙中粒子间的空间相对于中微子而言极其空旷，即便是致密的中子星都很难阻挡它，科学家们想尽办法都无法捕捉到中微子。
　　1941年，著名核物理学家、时任浙江大学教授的王淦昌首次提出使用β捕获来检测中微子，詹姆斯·艾伦采用了他的建议，并在1942年发现了中微子存在的证据。
　　反中微子会与质子相互作用产生中子和正电子
　　1956年，物理学家Frederick Reines和Clyde L. Cowan根据王淦昌的β捕获理论想出了一个验证中微子存在的实验。他们在美国佐治亚州奥古斯塔附近的萨凡纳河核电站反应堆旁边地下12 米的地方挖了两个坑，然后埋进去两个装了200升纯水的罐子，又在里边溶解了约40kg的氯化镉（CDCl 2）。镉是一种强中子吸收剂，当镉吸收中子后会由镉108跃升至镉109，同时释放伽马射线。这个伽马射线可以被安装在罐子夹层的110个5英寸光电倍增管接收到。
　　验证中微子原理
　　当β衰变时会产生一个正电子，这个正电子会迅速找到一个电子并相互湮灭，湮灭产生的两个伽马射线（γ）是可检测的；中微子撞击质子会产生一个中子。当正负电子湮灭和中子俘获同时发生，就可以同时检测到3个伽马射线，这样就可以证明中微子实际产生。
　　β捕获检测中微子实验，左侧为核反应堆，右侧为检测装置
　　Reines和Cowan两人经过几个月的观测，终于从核反应堆产生的数百万亿计中微子中检测到几次β衰变反应，他们证明了通过王淦昌的方法是可以证明中微子实际存在的。40年后，Reines因为通过实验证明中微子存在获得1995年诺贝尔物理学奖，Cowan已经去世了。
　　其实，听从王淦昌的建议获得诺贝尔物理学奖的还有物理学家查德威克，他知道原子核中存在中子，但没办法证明它。1930年在德国留学的王淦昌建议使用云室来研究这些粒子，但他自己由于没有得到主管的支持而无法进行这项实验，一年后查德威克采用了王的方法，他证实了中子的存在，1935年查德威克因为发现中子而获得诺贝尔物理学奖。
　　两弹元勋、李正道和邓稼先的老师，王淦昌院士
　　最近因为中微子而获得诺贝尔物理学奖的是日本科学家Takaaki Kajita和加拿大的Arthur B McDonald（没错，他姓麦当劳），他们发现中微子具有质量。
　　因为中微子实在是太小，据说3个中微子加起来的质量只有电子的百万分之一甚至更低，所以此前一直有观点认为中微子可能跟光子一样是没有质量的。这两个科学家通过设在日本岐阜县超级神冈实验室的Super-K得到了不同的结果。Super-K是一个巨大的地下中微子探测器，含有50,000吨超纯水，并在水池四周配备了数千个光探测器。这两位科学家通过这台深埋地下的巨大水池发现了中微子会在它的＂三种风格＂（有说＂味道＂）间互相震荡，并且最重的中微子的质量是电子的千万分之一。
　　日本Super-K水池四周密布的中微子探测器要中微子何用？
　　目前科学家发现并已经证实的基本粒子中有6种是＂轻子＂，轻子是原子中的类电子粒子，它们不参与强烈的相互作用，只能通过电磁和弱力相互作用。这6种轻子中，有3种带负电，它们分别是：电子（e）μ子（μ）tauon（τ）
　　另3种显电中性，与每个带电的轻子相关，有三种不同的中微子：电子中微子（νe）μ子中微子（νμ）tonon中微子（νε）
　　你可以在前文中＂基本粒子＂图表中找到它们，就是图表左下方6个绿色方块中表示的粒子，红框中的是3种对应的中微子。
　　轻子与已知的三种中微子
　　包括太阳在内的恒星内部每秒钟都因核聚变而产生大量的中微子，这些中微子不受引力的影响，它们会以极高的速度逃离，仅每秒钟到达地球表面的太阳中微子每平方厘米就有650万个以上；加上放射性物质衰变过程中产生的大量中微子；传说中宇宙大爆炸初期产生的中微子；超新星爆炸以及中子星旋转等过程中产生的中微子。可以说我们的宇宙空间里到处都充斥着这种微小粒子，它们有质量，所以它们很可能就是传说中的暗物质和暗能量的来源。
　　星系分布的规律意味着那里很可能隐藏着某些暗物质
　　到目前为止，包括我们国家在内，全世界各国已经建设了54个以上的各型中微子探测设施。大家耗费巨资建设这些大科学设施找寻和研究中微子，是因为解开了中微子之谜，就掌握了解开现代物理学众多谜题的钥匙，它不仅将帮助我们理解宇宙的结构和演化，还可以为核聚变反应提供新的动力。
　　关于中微子，你有什么想法？欢迎在评论区留言讨论。