中微子(微中子):發現歷程,來源,研究結果,性質,探測,速度,觀測,物理性質,謎團

中微子，又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號希臘字母v表示。

中微子個頭小、不帶電，可自由穿過地球，自旋為1/2，質量非常輕（有的小於電子的百萬分之一），以接近光速運動，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的“隱身人”。科學界從預言它的存在到發現它，用了20多年的時間。

2013年11月23日，科學家首次捕捉高能中微子，被稱為宇宙"隱身人"。他們利用埋在南極冰下的粒子探測器，首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。

基本介紹

中文名：中微子
外文名：neutrino
別名：微中子
類型：輕子
自旋：1/2
符號：v

發現歷程,來源,研究結果,性質,探測,速度,觀測,物理性質,謎團,研究範圍,研究過程,實驗驗證,相關研究,研究方向,套用,中微子天文學,超高能中微子,觀測,歐盟的望遠鏡,北京的望遠鏡,主要理論,更新後的檢驗,物理學家解釋,質疑者的聲音,中微子速度,

發現歷程

來源

中微子的發現來自19世紀末20世紀初對放射性的研究。研究者發現，在量子世界中，能量的吸收和發射是不連續的。不僅原子的光譜是不連續的，而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續的。這是由於原子核在不同能級間躍遷時釋放的，是符合量子世界的規律的。奇怪的是，物質在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續的，而且電子只帶走了總能量的一部分，還有一部分能量失蹤了。物理學上著名的哥本哈根學派領袖尼爾斯·玻爾據此認為，β衰變過程中能量守恆定律失效。

1930年，奧地利物理學家泡利提出了一個假說，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現了能量虧損。這種粒子與物質的相互作用極弱，以至儀器很難探測得到。未知粒子、電子和反衝核的能量總和是一個確定值，能量守恆仍然成立，只是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，與會者中有海森堡、泡利、居里夫人等，泡利在會上提出了這一理論。當時泡利將這種粒子命名為“中子”，最初他以為這種粒子原來就存在於原子核中。

1931年，泡利在美國物理學會的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在於原子核中，而是衰變產生的。泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被發現後，義大利物理學家費米將泡利的“中子”正名為“中微子”。

1933年，義大利物理學家費米提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用—弱相互作用。β衰變就是核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子。他的理論定量地描述了β射線能譜連續和β衰變半衰期的規律，β能譜連續之謎終於解開了。

美國物理學家柯萬（Cowan）和萊因斯（Reines）等第一次通過實驗直接探測到了中微子。他們的實驗實際上探測的是核反應堆β衰變發射的電子和反中微子，該電子反中微子與氫原子核（即質子）發生反β衰變，在探測器里形成有特定強度和時間關聯的快、慢信號，從而實現對中微子的觀測。他們的發現於1995年獲得諾貝爾物理學獎。

1956年，美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，萊因斯獲1995年諾貝爾獎。

1962年，美國萊德曼，舒瓦茨，斯坦伯格發現第二種中微子——μ中微子，獲1988年諾貝爾獎。

1968年，美國戴維斯發現太陽中微子失蹤，獲2002年諾貝爾獎。

1985年，日本神崗實驗和美國IMB實驗發現大氣中微子反常現象。

1987年，日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

1989年，歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。1995年，美國LSND實驗發現可能存在第四種中微子——惰性中微子。

1998年，日本超級神崗實驗以確鑿證據發現中微子振盪現象。日本梶田隆章獲2015年諾貝爾獎。

2000年，美國費米實驗室發現第三種中微子，τ中微子。

2001年，加拿大SNO實驗證實失蹤的太陽中微子轉換成了其它中微子。最早提出建設思路的是華裔物理學家陳華生博士Herbert H. Chen（美國普林斯頓大學理論物理博士學位，加州大學歐文分校物理學家）。加拿大阿瑟·麥克唐納獲2015年諾貝爾獎。

2002年，日本KamLAND實驗用反應堆證實太陽中微子振盪。

2003年，日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振盪。

2006年，美國MINOS實驗進一步用加速器證實大氣中微子振盪。

2007年，美國費米實驗室MiniBooNE實驗否定了LSND實驗的結果。

研究結果

粒子物理的研究結果表明，構成物質世界的最基本的粒子有12種，包括了6種夸克（上、下、奇、粲、底、頂，每種夸克有三種色，還有以上所述夸克的反夸克），3種帶電輕子（電子、μ子和τ子）和3種中微子（電子中微子，μ中微子和τ中微子）而每一種中微子都有與其相對應的反物質。中微子是1930年奧地利物理學家泡利為了解釋β衰變中能量似乎不守恆而提出的，1933年正式命名為中微子，1956年才被觀測到。

中微子是一種基本粒子，不帶電，質量極小，與其他物質的相互作用十分微弱，在自然界廣泛存在。太陽內部核反應產生大量中微子，每秒鐘通過我們眼睛的中微子數以十億計。

性質

粒子間的各種弱相互作用都會產生中微子，而弱相互作用速度緩慢正是造就了恆星體內“質子-質子”反應的主要障礙，這也解釋了為什麼中微子能輕易的穿過普通物質而不發生反應。

太陽體內有弱相互作用參與的核反應每秒會產生10箇中微子，暢通無阻的從太陽流向太空。每秒鐘會有1000萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體，甚至在夜晚，太陽位於地球另一邊時也一樣。

探測

由於中微子與其他物質的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數量的中微子。為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測儀器時常設立在地底下。

2013年11月21日由美國國家科學基金會提供的照片顯示的是位於南極站的“冰立方天文台”，這是世界上最大的中微子探測器。

多國研究人員21日在美國《科學》雜誌上說，他們利用埋在南極冰下的粒子探測器，首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。科學家評論說，中微子天文學從此進入新時代。中微子是一種神秘的基本粒子，不帶電，質量極小，幾乎不與其他物質作用，在自然界廣泛存在。它能自由地穿過人體、牆壁、山脈乃至整個行星，難以捕捉和探測，因而被稱為宇宙中的“隱身人”。

速度

在基本粒子標準模型中，中微子的質量被假設為零，所以中微子都以光速運行。然而，最近幾年對中微子震盪的確認已說明中微子的質量雖小，卻不為零，因此中微子的運行速度自然要小於光速。

科學家首次對中微子的速度進行測量在1980年代早期，當時科學家透過從脈衝質子束射擊而產生的脈衝π介子束來測量中微子的速度。當帶電的π介子衰變時，就會產生μ子及（或反）μ子中微子和（或反）電子中微子。透過長基線的設計，由遠方的加速器以此種方式產生中微子，經過地殼的作用削減背景事例，來進行中微子震盪的研究。透過檢測加速器產生粒子，與中微子出現在偵測器的時間差，就可測量出中微子的速度。結果顯示中微子的速度是光速與假設相符。後來當這個實驗在其他地方重複時，測量中微子的方法改用了MINOS偵測器，測出了一顆能量為3 GeV的中微子的速度達1.000051(29) c。由於這個速度的中間值比光速還要快，科學家當時認為實驗的不確定性太大，而實際上中微子的速度應該不可能超過光速。這個實驗設定了50 MeV的μ子中微子的質量上限。

超新星SN 1987A

同樣的觀測不單在地球上進行，當天文學家觀測超新星SN 1987A的中微子爆發時，世界各地有三台中微子探測器各自探測到5到11箇中微子。有趣的是：這些探測器是在SN 1987A爆發的光線來到地球之前3小時偵測到的。對於這個現象，當時科學家把它解說為因為“中微子於超新星爆發時比可見光更早被發射出來，而不是中微子比光速快”，而這個速度亦與光速接近。然而，對於擁有更高能量的中微子是否仍然符合標準模型擴展仍然有爭議，當中微子違反了洛倫茲不變性而發生震盪，其速度有可能會比光速還要快。

2011年9月，位於義大利格蘭薩索國家實驗室（LNGS）的OPERA實驗宣布觀測結果，並刊登於英國《自然》雜誌。研究人員發現，中微子的移動速度比光速還快。根據這項對μ子中微子的研究，發現當平均能級達到17 GeV的μ子中微子從CERN走到LNGS，所需的時間比光子在真空移動的速度還要快60.7納秒，即以光速的1.0000248倍運行，是實驗的標準差10納秒的六倍，“比光速快6公里”，是非常顯著的差異。如果此結果確定證實的話，必然會在物理學界引起極大轟動。其中一方的說法是，如果真的有如此大的差異，從超新星飛來的中微子應該早到數年而不是數小時。為此，合作進行實驗的歐洲粒子物理研究機構特地舉辦了一場網路發表會，詳細說明他們的實驗的方法以及各種誤差的估算，同時邀請其他的實驗機構能夠重複相同的實驗，來作為此結果的驗證。

然而，在2012年2月，CERN發現是連線GPS和電腦光纖的接頭鬆動造成了中微子超光速的假象，但同時另一個與GPS信號同步的振盪器故障又可能導致實驗結果低估中微子的速度。為此將在2012年5月重新進行試驗進行檢測，在此之前，Opera的實驗室中心主任已經引咎辭職。2012年5月，由諾貝爾獎得主卡洛·魯比亞領導的團隊ICARUS重新測量了中微子速度，發現結果並沒有超過光速。

觀測

中微子只參與非常微弱的弱相互作用和引力相互作用，具有最強的穿透力，能穿越地球直徑那么厚的物質。在100億個中微子中只有一個會與物質發生反應，因此中微子的檢測非常困難。正因為如此，在所有的基本粒子，人們對中微子了解最晚，也最少。實際上，大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生，例如核反應堆發電（核裂變）、太陽發光（核聚變）、天然放射性（β衰變）、超新星爆發、宇宙射線等等。

宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，大約為每立方厘米100個。1998年，日本超級神岡（Super-Kamiokande）實驗以確鑿的證據發現了中微子振盪現象，即一種中微子能夠轉換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質量。此後，這一結果得到了許多實驗的證實。中微子震盪尚未完全研究清楚，它不僅在微觀世界最基本的規律中起著重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關，例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成。

物理性質

中微子是一種難以捉摸的基本粒子，有三種類型，即電子中微子、μ中微子和τ中微子，分別對應於相應的輕子：電子、μ子和τ子。所有中微子都不帶電荷，不參與電磁相互作用和強相互作用，但參與弱相互作用和引力相互作用。它們質量非常小，不帶電。太陽、宇宙線、核電站、加速器等都能產生大量中微子。中微子的探測比較困難，與其他物質的相互作用十分微弱，被稱為“鬼微子”，它們可以輕鬆地穿過人體、建築，甚至地球。所以，中微子在概念被提出20幾年後，科學家才在實驗室中觀測到這種神秘粒子的存在。

以前人們以為中微子是沒有質量的，永遠以光速飛行。1998年日本的超級神岡實驗發現它們可以從一種類型轉變成另一種類型，稱為中微子振盪，間接證明了它們具有微小的質量。不過這個質量非常非常小，1998年之前還沒有測出來，它們的飛行速度非常接近光速，1998年之前也沒有測出與光速的差別。由於它很難探測，是我們了解最少的基本粒子，現在還存在大量的未解之謎。正因為如此，在其它粒子都有大量證據證明嚴格遵守相對論時，也有不少人懷疑中微子會不會是個特例？

謎團

中微子有大量謎團尚未解開。首先它的質量尚未直接測到，大小未知；其次，中微子與它的反粒子是否為同一種粒子也不得而知；第三，中微子振盪還有兩個參數未測到，而這兩個參數很可能與宇宙中反物質缺失之謎有關；第四，它有沒有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉與熱點學科。

研究範圍

獲得來自恆星內部的信息

中微子天文學是天體物理的一個分支，主要研究恆星上可能發生的中微子過程以及這些過程對恆星的結構和演化的作用。中微子是不帶電的靜止質量很小的基本粒子。它和一般物質的相互作用非常弱，除特殊情況外，在恆星內部產生的中微子能夠不受阻礙地跑出恆星表面，因此探測來自恆星內部的中微子可以獲得有關其內部的信息。最早的研究集中在太陽。太陽的能源主要來自內部的質子-質子反應，因而會產生大量的中微子。

美國布魯克海文實驗室的戴維斯等人用大體積四氯化碳作靶，利用Cl俘獲中微子的反應來探測太陽的中微子發射率。實測的結果遠遠小於恆星演化理論的太陽標準模型的預期值，這就是著名的太陽中微子問題。中微子震盪可以很好的解決這個問題。

更多方面

中微子還大量地產生於超新星爆發時和宇宙中其它物理過程中。在日本的一個礦井和美國的俄亥俄用一個巨大的水容器來探測切連可夫輻射，從而探測到了來自超新星SN 1987A的中微子輻射。歐洲共同體的GALLEX和俄國的一個裝置利用中微子和鎵的相互作用來探測中微子。

研究過程

實驗驗證

1930年，奧地利物理學家泡利提出存在中微子的假設。1956年，柯溫（C.L.Cowan）和弗雷德里克·萊因斯利用核反應堆產物的β衰變產生反中微子，觀測到了中微子誘發的反應：

這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據。

泡利的中微子假說和費米的β衰變理論雖然逐漸被人們接受，但終究還蒙上了一層迷霧：誰也沒有見到中微子。就連泡利本人也曾說過，中微子是永遠測不到的。在泡利提出中微子假說的時候，我國物理學家王淦昌正在德國柏林大學讀研究生，直到回國，他還一直關心著β衰變和檢驗中微子的實驗。1941年，王淦昌寫了一篇題為《關於探測中微子的一個建議》的文章，發表在次年美國的《物理評論》雜誌上。1942年6月，該刊發表了美國物理學家艾倫根據王淦昌方案作的實驗結果，證實了中微子的存在，這是這一年中世界物理學界的一件大事。但當時的實驗不是非常成功，直到1952年，艾倫與羅德巴克合作，才第一次成功地完成了實驗，同一年，戴維斯也實現了王淦昌的建議，並最終證明中微子不是幾個而是一個。

在電子俘獲試驗證實了中微子的存在以後，進一步的工作就是測量中微子與質子相互作用引起的反應，直接探測中微子。由於中微子與物質相互作用極弱，這種實驗是非常困難的。直到1956年，這項實驗才由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯完成。首先實驗需要一個強中微子源，核反應堆就是合適的源。這是由於核燃料吸收中子後會發生裂變，分裂成碎片時又放出中子，從而使其再次裂變。裂變碎片大多是β放射性的，反應堆中有大量裂變碎片，因此它不僅是強大的中子源，也是一個強大的中微子源。因為中微子反應幾率很小，要求用大量的靶核，萊因斯選用氫核（質子）作靶核，使用了兩個裝有氯化鎘溶液的容器，夾在三個液體閃爍計數器中。這種閃爍液體是是一種在射線下能發出螢光的液體，每來一個射線就發出一次螢光。由於中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的明顯的頻閃很有特異性，從而證實了中微子的存在。為此，他與發現輕子的美國物理學家馬丁·珀爾分享了1995年諾貝爾物理學獎。

理論上講，中微子的假設非常成功，但要觀察它的存在卻非常困難。由於它的質量小又不帶電荷，與其它粒子間的相互作用非常弱，因而很難探測它的存在。1953年，美國洛斯阿拉莫斯科學實驗室的物理學家萊因斯和柯萬領導的物理學小組著手進行這種艱難的尋覓。1956年，他們在美國原子能委員會所屬的喬治亞州薩凡納河的一個大型裂變反應堆進行探測，終於探測到反中微子。

1962年又發現另一種反中微子。在泡利提出中微子假說以後，經過26年，人們才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人認為中微子永遠觀測不到的悲觀觀點。

中微子的味

每一種中微子都對應一種帶電的輕子——電子中微子對應電子，μ中微子對應μ子，同理，τ（希臘字母，國語念“濤”）中微子對應τ子。

電子中微子

電子與原子相互作用，將能量一下子釋放出來，會照亮一個接近球形的區域。

μ中微子

μ子不像電子那樣擅長相互作用，它會在冰中穿行至少1千米，產生一個光錐。

τ中微子

τ子會迅速衰變，它的出現和消失會產生兩個光球，被稱為“雙爆”。

研究方向

從19世紀末的三大發現至今，已經過去了100年。在這一個世紀，科學技術飛速發展，人類對自然有了進一步的認識。但是仍有許多自然之謎等著人們去解決。其中牽動全局的問題是粒子物理的標準模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。

中微子是一門與粒子物理、核物理以及天體物理的基本問題息息相關的新興分支科學，人類已經認識了中微子的許多性質及運動、變化規律，但是仍有許多謎團尚未解開。中微子的質量問題到底是怎么回事？中微子有沒有磁矩？有沒有右旋的中微子與左旋的反中微子？有沒有重中微子？太陽中微子的強度有沒有周期性變化？宇宙背景中微子怎樣探測？它在暗物質中占什麼地位？恆星內部、銀河系核心、超新星爆發過程、類星體、極遠處和極早期宇宙有什麼奧秘？這些謎正點是將微觀世界與宇觀世界聯繫起來的重要環節。對中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義，在我的日常生活中也有現實意義。人類認識客觀世界的目的是為了更自覺地改造世界。我們應充分利用在研究中微子物理的過程中發展起來的實驗技術和中間成果，使其轉化成生產力造福人類，而中微子本身也有可能在21世紀得到套用。

套用

其中可能的套用之一就是中微子通訊。由於地球是球面，加上表面建築物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿過地球時損耗很小，用高能加速器產生10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減千分之一，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。將中微子束加以調製，就可以使其包含有用信息，在地球上任意兩點進行通訊聯繫，無需昂貴而複雜的衛星或微波站。

套用之二是中微子地球斷層掃描，即地層CT。中微子與物質相互作用截面隨中微子能量的提高而增加，用高能加速器產生能量為一萬億電子伏以上的中微子束定向照射地層，與地層物質作用可以產生局部小“地震”，類似於地震法勘探，可對深層地層也進行勘探，將地層一層一層地掃描。

中微子天文學

中微子天文學天體物理學的一個分支﹐主要研究恆星上可能發生的中微子過程以及這些過程對恆星的結構和演化的作用。中微子是一種不帶電﹑靜止質量極小的基本粒子。早在研究原子核的β衰變時就從理論上預見到中微子的存在﹐但直到1956年才在實驗中觀察到。中微子和一般物質的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情況外，在恆星內部產生的中微子能夠不受阻礙地跑出恆星表面﹐因此﹐對恆星發射的中微子進行探測﹐可以獲得有關恆星內部的信息。

太陽中微子實驗

太陽每秒放出的總輻射能為 3.86×10爾格。其中絕大部分的能量由質子－質子反應產生﹐很小一部分由碳氮循環產生。這些反應中有許多分支反應過程是產生中微子的﹐中微子在地球表面處的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本領﹐一般很難測量。美國布魯克黑文實驗室的戴維斯等人在深礦井中進行了太陽中微子的實驗。實驗中用大體積的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘獲中微子的反應﹕v_e+Cl→e +Ar﹐來探測太陽中微子。從1955年以來﹐他們所得的結果是﹕

產生過程

在恆星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恆星演化的晚期﹐中微子的作用就變得重要了。這時﹐產生中微子的過程主要有以下幾種：

第一種是尤卡過程。其反應為：

(Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +

﹐

e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+v_e。

尤卡過程的總效果﹐是將電子的動能不斷地轉化為中微子對而放出。式中Z 為原子序數（質子數）﹐A 為質量數（核子數）﹐e 為電子﹐v_e為電子中微子﹐

為反電子中微子。

第二種是中微子軔致輻射。隆捷科沃於1959年首先進行研究。電子與原子核（Z﹐A )碰撞﹐可以發射中微子對﹐其反應為：

e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )+v_e+

第三種是光生中微子過程。丘宏義和斯塔貝爾曾在1961年首先進行研究。γ光子與電子碰撞﹐可以發射中微子對﹐其反應為：

第四種是電子對湮沒中微子過程。丘宏義和莫里森於1960年首先進行研究。正﹑負電子對湮沒為中微子對﹐其反應為：

式中e⁺為正電子。

第五種是電漿激元衰變中微子過程。J.B.亞當斯等人於1963年進行研究。電漿激元可以按如下的反應衰變為中微子對：

第二﹑三﹑四﹑五種過程是根據1958年范曼和格爾曼提出的普適弱相互作用導出的。弱電統一理論提出後﹐又出現了許多新的中微子過程﹐例如上述第三﹑四﹑五種過程右方的

都可推廣為

﹐

等。

作用

在恆星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕發射中微子﹐帶走了大量的能量﹐加快了恆星演化的進程和縮短了恆星演化的時標﹔對超新星爆發和中子星形成可能起關鍵作用。例如﹐有一種看法認為﹕在一個高度演化的恆星內部﹐通過逐級熱核反應﹐一直進行到合成鐵。進一步的引力坍縮，將使恆星核心部分產生強烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由於中性流弱作用的相干性﹐鐵原子核對中微子有較大的散射截面。因此﹐強大的中微子束會對富含鐵原子核的外殼產生足夠大的壓力﹐將外殼吹散而形成猛烈的超新星爆發。被吹散的外殼形成星雲狀的超新星遺蹟﹐中子化的核心留下來形成中子星。

恆星離我們十分遙遠﹐以目前的探測技術還無法接收到它們發射的中微子流。只在超新星爆發使中微子發射劇增時﹐才有可能探測到。除了恆星以外﹐在類星體﹑激擾星系以及宇宙學研究對象中﹐也存在許多有關中微子過程的問題。

中微子實驗

中微子是當前粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉前沿學科，本身性質也有大量謎團尚未解開。在這一領域，大部分成績均為日本和美國取得。1942年，中國科學家王淦昌提出利用軌道電子俘獲檢測中微子的可行方案，美國人艾倫成功地用這種方法證明了中微子的存在。80年代，中國原子能科學研究院進行了中微子靜止質量的測量，證明電子反中微子的靜止質量在30電子伏特以下。

中微子振盪研究的下一步發展，首先必須利用核反應堆精確測量中微子混合角θ₁₃。位於中國深圳的大亞灣核電站具有得天獨厚的地理條件，是世界上進行這一測量的最佳地點。由中國科學院高能物理研究所領導的大亞灣反應堆中微子實驗於2006年正式啟動，聯合了國內十多家研究所和大學，美國十多家國家實驗室和大學，以及中國香港、中國台灣、俄羅斯、捷克的研究機構。實驗總投資約3億元人民幣，2011年建成。它的建成運行將使中國在中微子研究中占據重要的國際地位。

中微子具有質量，這是很早就提出過的物理概念。但是人類對於中微子的性質的研究還是非常有限的。我們至今不是非常確定地知道：幾種中微子是同一種實物粒子的不同表現，還是不同性質的幾種物質粒子，或者是同一種粒子組成的差別相當微小的具有不同質量的粒子。隨著人類認識的深化，科學技術的發展，中微子之謎終究是會被攻破的。

此次研究的中微子束源自位於日內瓦的歐洲核子研究中心，接收方則是義大利羅馬附近的義大利國立核物理研究所。粒子束的發射方和接收方之間有著730公里的距離，研究者讓粒子束以近光速運行，並通過其最後運行的時間和距離來判斷中微子的速度。中微子束在兩地之間的地下管道中穿梭。

但物理學家們認為，一旦這些粒子確實被證實跑過了光速，將徹底改變人類對整個宇宙存在的看法，甚至改變人類存在的模式。有分析人士認為，可能宇宙中的確還存在其他未知維度，中微子抄了其他維度的“近路”，才“跑”得比光快。現在此結論還有待進一步證實。

大亞灣發現新中微子振盪

大亞灣中微子實驗國際合作組發言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳8日在北京宣布，大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振盪，並測量到其振盪幾率。該發現被認為是對物質世界基本規律的一項新的認識，對中微子物理未來發展方向起到了決定性作用，並將有助於破解宇宙中“反物質消失之謎”。

上海交通大學物理系主任、粒子物理宇宙學研究所所長季向東這樣闡釋這項研究的意義：“大亞灣實驗發現了電子中微子震盪的新模式，這種模式的發現對了解為什麼在物質遠遠多於反物質，對解釋太陽系中元素的豐度有極其重要的作用。在我們所觀察到的宇宙中，物質占主要地位，但為什麼如此，到現在還沒有一個合理的解釋，大亞灣實驗的結果打開了一扇大門。”

另據王貽芳透露，2002年，兩名美日科學家因發現大氣中微子振盪、太陽中微子振盪獲得了當年的諾貝爾物理學獎，但第三種振盪一直未被發現。9年前，中科院高能所研究人員提出構想，利用大亞灣核反應堆群產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振盪。“2003年左右，國際上先後有7個國家提出了8個實驗方案，最終有3個進入建設階段，這就包括咱們的大亞灣核電站。”王貽芳稱，為搶在競爭對手之前獲得物理結果，科研人員將實驗分為兩個階段，此次結果便來自第一階段的數據。

超高能中微子

那些用於監測罕見偶發事件的監測系統往往造價昂貴，但最終監測數年而一無所獲。因此，近期科學家們對一個訊息感到振奮鼓舞的心情也就不難理解了：他們設立在南極的冰立方探測器——一台專用於監測中微子的巨型設備，在2013年報告檢測到兩個具有異常高能量的中微子粒子，其能量接近1000TeV（1千萬億電子伏特），這比來自太陽的中微子能量高出近10億倍。隨後南極冰立方望遠鏡項目的科學家們進一步進行了數據分析並發現了另外26個能量高於30 TeV的中微子。

科學家們目前還需要更多的觀測數據才能嘗試確定這些具有異乎尋常高能量的中微子的來源，而這樣做將可能需要建造一台更大的探測器。但有一點，他們初步認為這些中微子是源自太陽系之外的，而自從1987年之後人們就再也沒有在實驗中探測到如此遙遠來源的中微子。科學家們相信這些神秘粒子攜帶著有關天體物理學事件，如遙遠星系中伽馬射線暴的信息。

觀測

由於探測技術的提高，人們可以觀測到來自天體的中微子，導致了一種新的天文觀測手段的產生。美國正在南極洲冰層中建造一個立方公里大的中微子天文望遠鏡——冰立方。法國、義大利、俄羅斯也分別在地中海和貝加爾湖中建造中微子天文望遠鏡。KamLAND觀測到了來自地心的中微子，可以用來研究地球構造。

歐盟的望遠鏡

歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號” ——KM3中微子天文望遠鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。儒勒·凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》講述了尼莫（拉丁語為“無此人”的意思）船長和他的“鸚鵡螺號”潛水艇的歷險故事；中微子則是我們所能知的最接近“無物質”的最小粒子，它也是一種黑暗的物質。小說中的“鸚鵡螺號”被用來探索海底世界，中微子也可以被用來觀測太空中那些遙不可及的天體。目前，歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號”——KM3中微子天文望遠鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。

歐洲KM3計畫的負責人之一，英國謝菲爾德大學的李·湯普森博士說：“利用中微子觀察宇宙是一種全新的技術。中微子不會被其他物質吸收，也不會被其他東西反射。中微子可以穿過我們的身體，也可以穿過地球，但它們本身絲毫不受到影響。中微子不帶電荷，它們的運動路線也不會因其他電磁場而彎曲。所以，一旦發現中微子，並判斷出它的運動方向，我們就可以發現它在宇宙中的來源。”

由於完全不受其他物質的影響，中微子可以提供關於宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，你必須有一個巨大的探測器。為了讓KM3正常工作，大量的感測器要被放置在地中海海底的一個巨大水體之內，這樣它們才能捕捉任何偶然經過的中微子軌跡。

在小說中，“鸚鵡螺號”在航行中需要防禦大型甲殼動物的攻擊。在海底工作的KM3也有自己的麻煩。它需要被安放在一個沒有過多海底生物的地方，因為這些在黑暗中大量繁殖的海底生物會自己發光，從而干擾感應器對中微子光的捕捉。

北京的望遠鏡

與此同時，研究人員還在北京實現了第二台望遠鏡的全遙控試運行，成功實現了與中意合作ARGO全覆蓋地面探測器的聯合觀測。截至5月23日凌晨，這台望遠鏡已觀測到50多個宇宙線事例。中國科學院高能物理研究所研究人員表示，超高能中微子望遠鏡研製的成功，標誌著中國具備了實施超高能中微子探測這一探索性研究的技術和人員條件，為超高能中微子探測研究的正式立項奠定了堅實的基礎。

主要理論

一些歐洲科學家在實驗中發現，中微子速度超過光速。如果實驗結果經檢驗得以確認，阿爾伯特·愛因斯坦提出的經典理論相對論將受到挑戰。光速約每秒30萬公里，愛因斯坦的相對論認為沒有任何物體的速度能夠超過光速，這成為現代物理學的重要基礎。如果真的證實這種超光速現象，其意義十分重大，整個物理學理論體系或許會因之重建。

此結論：中微子要比光子快60納秒（1納秒等於十億分之一秒）

【已被證實為實驗失誤，系電腦與全球定位系統（GPS）設備之間的光纜連線鬆動所致】

義大利格蘭薩索國家實驗室“奧佩拉”項目研究人員使用一套裝置，接收730公里外歐洲核子研究中心發射的中微子束，發現中微子比光子提前60納秒（1納秒等於十億分之一秒）到達，即每秒鐘多“跑”6公里。“我們感到震驚，”瑞士伯爾尼大學物理學家、“奧佩拉”項目發言人安東尼奧·伊拉蒂塔托說。2011年9月22日英國《自然》雜誌網站報導了這一發現。研究人員定於23日向歐洲核子研究中心提交報告。（據美國《科學》雜誌網站報導，去年有關中微子比光跑得快的發現曾震驚科學界，但這個實驗結果實際上是由於操作失誤，電腦與全球定位系統（GPS）設備之間的光纜連線鬆動所致。)

挑戰經典

相對論是現代物理學基礎理論之一，認為任何物質在真空中的速度無法超過光速。這一最新發現可能推翻愛因斯坦的經典理論。歐洲核子研究中心理論物理學家約翰·埃利斯評價：“如果這一結果是事實，那的確非同凡響”。法國物理學家皮埃爾·比內特呂告訴法國媒體，這是“革命性”發現，一旦獲得證實，“廣義相對論和狹義相對論都將打上問號”。他沒有參與這一項目，然而查閱過實驗數據。比內特呂說，這項實驗中，中微子穿過各類物質，包括地殼，“這也許會減慢它們的速度，但絕不會增加它們的速度，讓它們超過光速”。

有待檢驗

這不是愛因斯坦的光速理論首次遭遇挑戰。2007年，美國費米國家實驗室研究人員取得類似實驗結果，但對實驗的精確性存疑。

“奧佩拉”項目發言人伊拉蒂塔托說，項目組充分相信實驗結果，繼而公開發表。“我們對實驗結果非常有信心。我們一遍又一遍檢查測量中所有可能出錯的地方，卻什麼也沒有發現。我們想請同行們獨立核查。”

這一項目使用一套複雜的電子和照相裝置，重1800噸，位於格蘭薩索國家實驗室地下1400米深處。項目研究人員說，這套接收裝置與歐洲核子研究中心之間的距離精度為20厘米以內，測速精度為10納秒以內。過去兩年，他們觀測到超過1.6萬次“超光速”現象。依據這些數據，他們認定，實驗結果達到六西格瑪或六標準差，即確定正確。

歐洲核子研究中心物理學家埃利斯對這一結果仍心存疑慮。科學家先前研究1987a超新星發出的中微子脈衝。如果最新觀測結果適用於所有中微子，這顆超新星發出的中微子應比它發出的光提前數年到達地球。然而，觀測顯示，這些中微子僅早到數小時。“這難以符合‘歐佩拉’項目觀測結果，”埃利斯說。

美國費米實驗室中微子項目專家阿爾方斯·韋伯認為，“歐佩拉”實驗“仍存在測量誤差可能”。費米實驗室女發言人珍妮·托馬斯說，“歐佩拉”項目結果公布前，費米實驗室研究人員就打算繼續做更多精確實驗，可能今後一年或兩年開始。

伊拉蒂塔托歡迎同行對實驗數據提出懷疑，同樣態度謹慎。他告訴路透社記者：“這一發現如此讓人吃驚，以至於眼下所有人都需要非常慎重”。

就韋伯而言，即使實驗結果獲得確認，相對論“仍是優秀理論”，只不過“需要做一些擴充或修正”。他說，艾薩克·牛頓的重力理論不完美，但並不妨礙人類藉助它飛向太空。

更新後的檢驗

9月份發布“中微子超光速”訊息的機構是歐核中心（CERN）與大型中微子振盪實驗（OPERA）項目組。實驗發現，位於日內瓦邊境的CERN發射出的中微子束，“翻山越嶺”來到732公里外的義大利，在實驗誤差不超過10納秒的情況下，中微子的行進速度竟比光快了58納秒。這一有可能顛覆當前物理學研究根基的結果震撼了整個學界，也招致了世界上絕大部分物理學家的集體質疑。在當初的各種疑問當中，科學家特別指出，整個實驗開始時中微子被質子束產生所需的時間，都比完成實驗行進距離後所耗費的時間要久得多。有鑒於此，歐核中心在10月份更換了設備，使中微子的生成時間縮短到了3納秒，以此來更好地與到達義大利格蘭薩索的中微子做比較。第二次重複性實驗的結果表明，中微子依舊比光提前到達了62納秒。這在與第一次實驗結論完全吻合的同時，也否定了關於中微子脈衝的持續性與實驗結果有關的猜測。

11月17日，該研究團隊再次發布報告稱，已通過二次檢驗，獲得了與第一次實驗相同的結果，且以此排除了實驗過程存在錯誤的可能性。該實驗發言人、合作參與研究的瑞士伯爾尼大學安東尼奧·埃里蒂塔圖博士表示，本次結果要“稍好點”。其他研究人員亦認為，本次在實驗精確性、統計分析等多方面得到改進，且雖說都是OPERA的人，但卻是由不同的小組來完成重複實驗。

據《紐約時報》線上版、《華盛頓郵報》線上版等多家媒體11月20日訊息稱，來自OPERA的研究人員當地時間17日發布了新產生的實驗數據，再次確認了此前轟動一時的“中微子超光速”實驗結果，且這是針對前一次的部分質疑進行了設備修正後再次實驗得出的結論。不過，鑒於該實驗的“原始”製造方和再次驗證都是同機構中人，各地科學家們普遍希望能有獨立實驗予以複製分析，否則對理論的懷疑都是後話，因為對實驗自身的懷疑尚還不能平息。

這一結果給科學界帶來了巨大困惑，因為這與愛因斯坦狹義相對論中光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質的速度可以超越光速的理論相悖。

10月份，歐洲核子研究中心最佳化了實驗方案並開始覆核中微子超光速實驗，最終“新的測量方法沒有改變最初的結論”。但歐洲核子研究中心也表示，在中微子速度超越光速這一結論被駁倒或者被證實前，還需要進行更多的實驗觀察和獨立測試。

物理學家解釋

台北時間10月18日訊息，超光速中微子存在意味著愛因斯坦的推測是錯誤的。至少自從科研人員在義大利通過OPERA試驗提出中微子比我們認為的早到60納秒後，這就一直是一些非常受歡迎的新聞媒體喜歡談論的話題。對這一異常結果非常感興趣的科學家從此開始尋找更準確的答案。該訊息宣布3周后，arxiv網站的預印版上貼上出80多種解釋。雖然一些人提出新物理學的可能性，例如中微子在額外維中穿行，或者特定能量的中微子的運行速度比光更快，但是很多人為這項試驗提出創新性更少的解釋。

有關超光速的解釋，最早出現的一個反對理由來自一項天體物理學研究。1987年，一顆強大的超新星產生的大量光和中微子湧向地球。雖然中微子探測器觀察到這種微粒比光早到大約3小時，但是很有可能是這種超輕粒子先開始向地球方向飛來。中微子很難與物質產生互動，它相對比較容易從爆炸的恆星核里逃逸出來，而光子會被多種元素吸收並重新發射出來，它從恆星核里逃逸出來需要更長時間。如果OPERA試驗得出的結果與觀測結果一樣，科學家認為中微子應該比光早到超過4年時間。

其他科學家已經把這一超光速結果套用到採用標準物理模型的任務中，這種模型用來描述所有亞原子粒子以及它們之間的互動。據標準物理模型顯示，能量足夠高的中微子應該能夠通過被稱作科恩-格拉肖噴射（Cohen-Glashow emission）的過程產生虛擬電子對。正如諾貝爾獎得主格拉肖和他的同事們在一篇論文裡的解釋，這些噴射物將會逐漸耗盡超光速中微子產生的能量，導致它們的運行速度放慢下來。

理論物理學家馬特-施特拉斯勒也在他的部落格上說，標準物理模型的特性表明，要讓中微子的運行速度比光快，電子也要這樣。但是如果電子中微子以OPERA試驗提出的速度運行，那么電子至少也應該比光速快十億分之一。很多試驗已經確定電子的理論極限，這很好地排除了上述假設。OPERA科研組利用GPS衛星精確測量探測器與歐洲粒子物理研究所的粒子束之間的730公里的距離，該研究所正是產生中微子的地方。然而根據狹義相對論，如果兩名觀察員向彼此靠近，將會得出略微不同的結論。

由於衛星是在圍繞地球運行，中微子源和探測器的位置會不斷發生變化。據該論文說，衛星運動會導致64納秒的誤差，幾乎與OPERA科研組的觀察結果接近。最終，物理學界還需要花費大量時間，並獲得大量學術知識，才能為該科研組得出的結果提供真正的解釋。在此之前，激烈的爭論可能會一直持續下去。

質疑者的聲音

在OPERA實驗結果發表後，除了科學家口頭表達的看法外，幾天內就出現了幾十篇論文，探討實驗的結果。不少知名科學家包括諾貝爾獎獲得者，都斬釘截鐵地說，肯定是OPERA實驗錯了。

從機率上來說，最大的可能性是這個實驗本身有漏洞，只不過現在還沒有被發現。有人指出了實驗的幾個測量環節有可能會出問題。諾貝爾獎獲得者格拉肖發表論文，說明如果真的超了光速，中微子的能量會在地下飛行過程中損失，實驗結果會自相矛盾。因此，當務之急是重複實驗結果。諾貝爾獎獲得者魯比亞在參加北京諾貝爾獎論壇時表示，另外兩個義大利中微子實驗BOREXINO和ICARUS可以用來驗證。美國MINOS實驗也表示，他們會馬上分析數據，給出一個初步結果，然後再改進測量設備，驗證OPERA實驗的結果。

第二種可能是中微子具有特殊性質，這樣相對論也是對的，這個實驗結果也是對的。比如說，歐洲核子研究中心發出的中微子有可能振盪到一種惰性中微子，而惰性中微子可以在多維空間中“抄近路”，然後再振盪回普通中微子，這樣看起來中微子就跑得比光快了。也有人認為中微子的質量不是固定的，與暗能量有關聯，會隨環境變化，這樣在飛行過程中看起來比光速快。諸如此類的理論很多，不過這些理論本身就需要大量實驗來證實。

第三種可能就是相對論錯了，光速是可以超過的。包含兩次實驗的具體內容的論文已經公布到網際網路上供公眾查閱，並已提交給《高能物理學》雜誌。相對於9月份實驗之後部分OPERA成員不願在報告草案上署名並希望有更多時間進行檢驗的狀況，埃里蒂塔圖向新聞界表示，人們會在第二次實驗報告上看到全體研究成員的簽名。

論文公布後，反對派的物理學家們指出，儘管回答了一些關於實驗的質疑，但OPERA的報告依然迴避了以下信息：日內瓦與格蘭薩索的時間如何保持同步？兩地之間的距離如何得到精確測量？夏威夷馬諾大學的中微子物理學家約翰·萊納德表示，儘管研究者的構想與努力獨具創新，但該實驗在時差測算中依然存在深層次的系統錯誤。與許多其他物理學家一樣，萊納德承認絕對可信的理論實際上並不存在。但他們看到了此事件的另外一面——關於中微子的研究正因為那種它所可能帶來的深入、廣泛的影響而愈具吸引力。而回到物理學理論上，即便該實驗結論最終得到證實，那也“將是非常有趣的事”。

歐核中心的理論物理學家阿爾瓦羅·盧居拉認為，中微子實驗的結果只能有兩種解釋：其一，實驗者儘管偶然但確實完成了一項革命性的偉大發現；其二，也是他自己選擇相信的，是這兩次實驗都存在著相同的卻沒有被認識到的錯誤。

2011/11/2文匯報以整個版面報導了“超光速震撼”.

目前，其他大部分物理學家對於這種顛覆規律的結論依舊持懷疑和保留態度。

而《紐約時報》的報導在全文開篇就指出：儘管已有一小撮兒科學家開始敢於質疑愛因斯坦的經典理論，但OPERA的那些“魍魎粒子”目前仍缺乏解釋。

中微子速度

據著名期刊美國《科學》雜誌網站報導，接近CERN實驗者的訊息來源透露，去年9月義大利實驗室所作的中微子速度超光速結果終於有了解釋：GPS信號接收器和PC之間的光纜沒接好導致的系統誤差造成了這一假象。

此前已經有更多的研究人員站出來稱這一與相對論矛盾的實驗結果是由於某種還未發現的系統誤差所導致，並且相對論在“發現”之後至今的近一百年間已經為多個實驗所證實。這次正是如此：研究人員發現檢查連線用來校正中微子飛行時間的GPS信號接收器和PC的光纜後，此前中微子比光速快60ns的實驗結果就可得到解釋。具體進展還需等待進一步證實以及發表正式文章之後。

得到主流科學界的承認當然沒那么容易，同時再次說明布線的重要性，該整理機房了……

中微子超光速試驗最新進展—“沒有超光速效應”　據著名期刊美國《科學》2012年3月23日報導，實驗人員在Gran Sasso，使用ICARUS接收器重新測量來自GERN的中微子的速度，發現中微子速度剛好是光速，並沒有出現超光速效應。GERN的Carlo Rubbia（ICARUS隊的發言人）說到:"沒有超光速效應，我還能說什麼？"OPERA的發言人表示：“來自ICARUS的實驗結果和我們的近期實驗結果相一致”。、

2012年6月8日，正在日本京都召開的國際中微子物理和天體物理學國際會議上，研究人員們向國際科學界報告了這項研究的最新進展情況。物理學家們宣布，之前那項對愛因斯坦相對論的基礎——光速極限理論提出挑戰的實驗已經被確認存在錯誤。世界上多個獨立的研究小組進行的後續驗證實驗都已經證明，和所有其它事物一樣，中微子同樣遵循愛因斯坦指出的宇宙速度極限法則。同時，歐洲核子研究中心的科學家們已經做出了澄清：之前的實驗結果是錯誤的，實驗設備的線纜接口出現問題導致了誤差的發生。

中微子