他在信中补充道，“我的建议确实不可信。如果这是真的，为什么我们还没有观察到新粒子呢？”后来他觉得这个猜测太过离谱，就没有花时间写在论文上。然而，1934年，恩里科·费米（Enrico Fermi，1901-1954）认为这个想法不错，于是他将这个新粒子添加到他的β衰变理论中，并将其命名为“中微子”——来自意大利语，意思是“中性微小粒子”。

1956年，即保利猜想26年后，中微子终于被克莱德·考恩（Clyde Cowan，1919-1974）和弗雷德里克·雷因斯（Frederick Reines，1918-1998）通过实验证实。他们使用两个各自装有一百升水的容器作为探测器，发现核反应堆产生的中微子与容器中的质子相互作用，引起β衰变并产生伽马射线和中子。保利在这一发现后不久就去世了，他有幸在生前目睹了中微子的成功探测。

太阳中微子谜题 - 中微子冲击问天空

到了20世纪60年代，问题又来了。当时，人类已经具备了探测来自太阳的中微子的能力。其中最著名的是位于美国南达科他州地下 1.5 公里处的 Homestake 实验。当时已经有比较完善的标准太阳能模型。通过计算太阳中心的核聚变速率，我们可以计算出太阳每秒发射出多少中微子[1]。

但地球上检测到的太阳中微子数量仅为预测的三分之一。人们怀疑：要么是太阳模型的理论错了，要么是中微子实验出了问题！否则的话，另外三分之二的中微子会去哪里呢？

然而结果却令人震惊——太阳模型理论是正确的，中微子探测实验的结果也是正确的！问题是中微子，它们比我们想象的更有趣！

“中微子振荡”解释了这个难题的答案。中微子共有三种“味道”，即电子e、μ子mu和ττ中微子。当然，这里所说的“味道”并不是味道的“味道”，而是基本粒子的一种属性。任何单个中微子都会随着时间的推移而“改变”（即振荡）。

太阳的核心只产生电子中微子，但电子中微子在穿过真空到达地球的过程中会来回“变化”——有时是μ子中微子，有时是τ子中微子，有时是圆周变化回到电子中微子。所以当它们被地球上的探测器（只能探测电子中微子）捕获时，2/3的电子中微子就变成了另一种味道。

不断“变化”的中微子，图片来源：Johan Jarnestad/Royao 瑞典科学院

加拿大萨德伯里中微子观测站（SNO）位于地下2.1公里处，在一个直径12米的球形容器中装有1000吨重水。通过分析中性流相互作用和电子弹性散射，他们分析了所有三种中微子都具有敏感性。 SNO最终探测到了预期数量的太阳中微子，证实了太阳中微子振荡。

加拿大萨德伯里中微子天文台，图片来源：萨德伯里中微子天文台

同一时期，日本在富山县真澄矿山1公里深的废弃砷矿中建造了超级神冈探测器（Super Kamiokande）：一个高41米、直径39米的大型圆柱形容器，里面装有5000个原子。吨高纯水。他们的观测目标是地球大气层中产生的μ子中微子。通过比较头顶（振荡发生前）和脚下（振荡发生后，穿过地球另一边）的μ中微子数量，超级神冈实验成功证实了大气中的中微子振荡。

日本的超级神冈探测器在实验初期（1996年）将探测器注满了水。图片来源：东京大学

此时，您可能已经发现大多数中微子探测器都位于地下很深处。为什么？其原因是地球表面充满了来自外太空的高能粒子“宇宙射线”，它可以产生类似于中微子的信号。将探测器埋在地下可以利用大地屏蔽这些宇宙射线，减少噪声干扰。 （PS：请不要问我宇宙射线从哪里来，我不知道……但有迹象表明宇宙射线来自银河系外的超高能事件，比如超新星爆炸和活跃星系核.)

“也有品质！”闻天

中微子振荡的发现证明了中微子的质量不为零。在相对论中，零质量的粒子以光速运动，时间对它们来说是静止的，因此它们“不知道”时间的存在。 “振荡”的发生需要中微子“知道”过去了多少时间，然后相对“改变味道”，这进一步证明中微子质量一定不为零。

“中微子质量不为零”的结论迫使我们修改之前的粒子物理“标准模型”。 “标准模型”描述了基本粒子的性质和相互作用，包括6个夸克、6个轻子、4个规范玻色子和1个希格斯玻色子。不管你信不信——仅仅这 1​​7 个粒子（及其反粒子）就可以准确地描述我们生活的世界！桌子、椅子、花草、各种颜色的灯光、你自己和所有你爱的人都是由这些粒子组成的！ （不过，有个大大的“但是”，暗能量和暗物质暂时无法用它们来描述，我们下次再说吧！）

粒子物理标准模型，最后一排绿色粒子是中微子，其质量目前未知。图片来源：维基百科

在原始模型中，所有三个中微子的质量均为零。到目前为止，我们知道它们的质量不为零，但我们不知道它们的质量是多少。测量质量——听起来很简单（我妈妈：“只要把它放在秤上测量一下就可以了！”），但在实践中，这是因为在实验室中中微子仅由弱力发射。效果变得极其困难——β衰变几乎是唯一的方法。

德国卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验试图通过观察氚原子的β衰变来找到答案。氚（3H，发音：chuān）也称为超重氢。原子核由一个质子和两个中子组成。它比普通氢原子（氕，发音：piē）多两个中子。其β衰变产生的电子能量较少，因此适合实验目的。 KATRIN 将测量 β 衰变后电子的能谱。电子能谱终点与零质量曲线相比缺失的能量就是中微子的质量。为什么了解能量就意味着了解质量？这就是爱因斯坦著名的质能方程（E= mc 2 ，即能量=质量*光速的平方）告诉我们的。

KATRIN的想法很美好，但现实却很残酷——如果中微子的质量为1eV（一个保守的上限，实际上可能更低），能进入最高1eV能谱的电子是“有用”的电子，只占2x所有电子的10 -13 ，即20万亿中只有一个电子……无论如何，KATRIN实验正在进行中，让我们拭目以待！

2006年11月25日，一辆特制卡车载着200吨重的KATRIN探测器小心翼翼地穿过德国符腾堡小镇（利奥波德港），运往卡尔斯鲁厄科学研究中心。图片来源：卡尔斯鲁厄研究中心

德国卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验通过测量β衰变电子谱的末端来限制中微子质量。左图是电子能谱，右图是能谱终点的放大图。红线是零质量的期望，蓝线是质量为1eV的中微子。也可以理解为灰色小三角形所示的“损失能量”被中微子的其余质量带走。图片来源：KATRIN 实验

宇宙中微子背景辐射问题

大爆炸后的那一刻，整个宇宙就像一碗超级热汤，各种粒子（包括中微子）不断产生和毁灭。当宇宙迅速膨胀，粒子密度突然下降时，中微子无法再与其他粒子（具有电磁力和强力）碰撞，因此中微子在大爆炸后仅一秒就停止了。它与其他粒子的弱力相互作用，在宇宙中自由漂浮——这就是宇宙中微子背景辐射[2]。

您可能听说过另一种类型的宇宙背景辐射，即宇宙微波背景辐射。它与中微子背景辐射的原理相似。与电子分离的光子在宇宙中自由传播。然而，微波背景起源于宇宙诞生后约38万年，比中微子背景晚得多。

如今，这些来自早期宇宙的中微子遍布宇宙的每一个角落。你的一杯水中有数千个宇宙中微子。不幸的是，我们无法像检测太阳中微子一样检测这些宇宙中微子，因为它们的能量太弱，无法“撞击”我们探测器中的原子核[3]。

宇宙中微子和其他来源的中微子能量的比较，图片来源：Ulrich F. Katz 和 Christian Spiering (2012)

于是科学家们发挥想象力，尝试用整个宇宙来制造这些中微子探测器。这次，我们不是利用中微子的弱力，而是利用中微子的引力效应。

我们今天在星空中看到的各种星系和星系团，都是宇宙中物质引力作用的结果。冷暗物质占所有物质的85%，因此对宇宙的演化起着决定性的作用。冷暗物质没有电磁力或强力，仅通过引力相互作用（尽管我们还不知道它们是否具有弱力）。在宇宙的早期，物质的分布只是稍微不均匀。宇宙膨胀后，在冷暗物质的引力影响下，越来越多的物质被吸进密度高的地方，而密度低的地方则变得越来越空，所以这些不均匀性慢慢变得越来越明显。 。宇宙中最密集的地方形成了我们熟悉的星系和星系团。

宇宙物质分布演化的计算机模拟。左上角是134亿年前的远古宇宙，右下角是今天的宇宙。图片来源：Andrey Kravtsov 和 Anatoly Klypin

作为“热暗物质”，宇宙中微子不会像冷暗物质那样去高密度的地方。由于它们是在早期宇宙的极高温度时期（大约300亿摄氏度！）产生的，宇宙中微子具有非常高的动能，因此即使穿过高密度区域，它们仍然可以轻松逃逸。冷暗物质就像我们和我们周围的大多数家具。因为它没有初速度，所以它通过重力牢牢地束缚在地面上。宇宙中微子就像马斯克的特斯拉汽车一样，依靠猎鹰重型火箭的强大推进力逃离重力，冲进太空。

下图是1.9eV中微子（左图）和零质量中微子（右图）两个宇宙中可见物质的分布情况[4]。红色是高密度区域，蓝色是低密度区域。非零质量中微子的存在，仿佛给宇宙这幅“中国画”泼上了一层墨，模糊了细密的线条。也正是对宇宙中这些大尺度结构的观测，使我们有可能限制中微子的比质量。

宇宙中可见物质分布的计算机模拟。左图假设宇宙中微子质量为1.9eV，右图假设宇宙中微子质量为零。图片来源：Shankar Agarwal 和 Hume A. Feldman (2011)

事实上，普朗克太空望远镜的科学家在2016年就通过宇宙学数据得到了中微子质量上限0.23eV[5]，距离粒子物理实验的质量下限0.06eV并不遥远。 。

去年我对宇宙中微子产生了兴趣——感叹中微子质量如此之轻，但却撼动了整个宇宙。我和我的同事花了一年的时间将中微子添加到我们对宇宙的模拟中。使用超过200万核小时的计算时间（相当于笔记本电脑上的200年），我们最终记录了100个不同质量的中微子对宇宙结构演化的影响[6]。

测量中微子的质量不仅仅是填补粒子物理标准模型中的空白那么简单。与其他费米子相比，中微子的质量出奇地小。电子（除中微子之外最轻的费米子）的质量至少是中微子的一百万倍。如果中微子像其他粒子一样通过希格斯玻色子获得质量，为什么它的质量如此之小？难道它们的质量是通过其他物理机制获得的？中微子质量的精确测量将帮助我们回答这些问题，甚至为粒子物理学未来的发展指明方向。