中微子研究已有漫長的歷史。從泡利1930年提出存在中微子的假說，迄今已有85年。從首次探測到中微子算起，也有60年歷史。因為中微子難以探測，起初發展較為緩慢。下面由學術堂為大家整理出一篇題目為“中微子研究進程及未來實驗研究”的物理史論文，供大家參考。
原標題：中微子研究的歷史與未來
中微子研究已有漫長的歷史。從泡利1930年提出存在中微子的假說，迄今已有85年。從首次探測到中微子算起，也有60年歷史。因為中微子難以探測，起初發展較為緩慢。1998年日本超級神岡實驗發現中微子振蕩，迎來了中微子研究的黃金時代。各種研究蓬勃發展，美國甚至停掉了除大型強子對撞機以外的其他大型實驗，將粒子物理研究的主要精力放在了中微子上。本文將簡要回顧中微子研究的歷史，并介紹現在和未來的中微子實驗研究。
一、發現中微子
中微子最顯著的特點就是幾乎不與物質相互作用，因而穿透能力強，同時也使得探測非常困難。
我們身邊的中微子其實非常多，例如一個典型的核反應堆每秒鐘產生6萬億億個中微子，每秒鐘有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體，宇宙大爆炸的殘余中微子更是在整個宇宙空間內多達330個每立方厘米。大多數核過程都會產生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、巖石的天然放射性、超新星爆炸，等等，連每個人都會因體內的鉀40衰變而每天產生4億個中微子。
這些中微子幾乎自由地穿行，本身不能被探測，只有極少的一部分會被探測器捕獲，變成可觀測的粒子，因此現代的大型中微子實驗動輒上萬噸。以江門中微子實驗為例，2萬噸液體閃爍體每天只能探測到60個反應堆中微子，4個大氣中微子，1個地球中微子，以及90個硼8太陽中微子。與之相比，作為本底的宇宙線則有10萬個，這還是將探測器放到地下700米，宇宙線流強降低了20萬倍后的結果。
自從泡利預言中微子后，人們嘗試了許多方法來尋找它，其中包括王淦昌1941年提出的K電子俘獲方法，美國人阿倫用它得到了中微子存在的證據。但直到1956年，才由萊因斯（F. Reines）和柯溫（C.Cowan）首次直接探測到中微子，萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾獎。
萊因斯是一名理論物理學家，他加入了曼哈頓項目，在費曼（R. Feynman）和提出太陽內部氫核聚變機制的貝特（H. Bethe）領導下，為洛斯阿拉莫斯實驗室的理論組工作。萊因斯曾回憶說，他的理論物理思維方式在發現中微子的過程中至關重要，“因為一個靠譜的實驗家會認為根本沒有成功的可能?！?br>
最初他和柯溫的想法是在原子彈試驗時，在靠近核爆中心的地下放一個探測器。核爆瞬間產生大量中微子，也許他們能抓到幾個。后來在別人的勸說下放棄了這個瘋狂的想法，改用更溫和穩定的核反應堆。他們的第一個實驗在漢福特反應堆進行，采用了300升液體閃爍體，這是當時最大的探測器。此前的物理實驗很少采用1升以上的液體閃爍體。核武器試驗產生了大科學工程的雛形，使他們敢于考慮“大規?！钡膶嶒?。反應堆中微子在探測器中發生反貝塔衰變反應，產生正電子和中子，短時間內在液體閃爍體中先后形成兩個信號，這種特征能極大地壓低天然放射性本底?，F代的反應堆實驗，如大亞灣和江門中微子實驗，依然沿用了這種原理。不過由于宇宙線本底沒有屏蔽好，漢福特實驗的結論并不清晰，1953年他們發表論文說“可能”探測到了中微子。
汲取經驗教訓后，他們來到了更大的薩瓦納河反應堆旁，在距反應堆11米、位于地下12米的地方，采用了更大的探測器，包括400千克氯化鎘水溶液和4200升液體閃爍體。這次他們確鑿無疑地找到了中微子。即便如此，由于探測中微子的困難性，貝特聽到他們成功的消息后依然將信將疑，說“我們不能論文上寫的什么東西都信”.也確實如此，萊因斯和柯溫測得的反應截面與當時的理論符合很好，不幸的是，同年李政道和楊振寧提出宇稱不守恒，導致中微子反應的理論截面增大了一倍。他們重新分析了數據，又與新理論符合得很好，在同行中引起了非議。也許因為這個原因，如此重要的工作過了39年才被授予諾貝爾獎。
相較于首次發現中微子的曲折和撲朔迷離，發現第二種中微子的過程看上去要簡單一些。1962年萊德曼（L. Lederman）、施瓦茨（M. Schwartz）和斯坦伯格（J. Steinberger）利用布魯克海文實驗室的15Ge V質子加速器AGS,建立了世界上第一條中微子束流。質子束流打擊鈹靶，產生了大量π介子，π介子再衰變，變成一個繆子和一個中微子。由于質子能量很高，所有這些次級粒子都沿原初質子的方向前沖，但只有中微子才能穿透13.5米厚的鋼屏蔽層，到達10噸重的火花室探測器。中微子在探測器中發生核反應，生成帶電輕子，從而被探測到。加速器產生的中微子數遠不如核反應堆多，但能量要高幾百倍，而中微子發生反應的截面大致正比于其能量，再加上加速器容易控制，因此比較干凈地探測到了中微子。他們發現中微子束流在探測器中只能產生繆子，而不能產生電子，說明這是一種新的中微子，繆子與繆中微子、電子與電子中微子之間分別存在輕子數守恒。他們因此獲得了1988年的諾貝爾獎。
1989年，歐洲核子研究中心通過Z0衰變截面的測量，證明存在且只存在3種中微子。最后一種中微子--陶中微子直到2000年才被美國費米實驗室的DONUT實驗發現。陶中微子的產生與探測都更加困難。質子由當時最強大的加速器Tevatron加速到800Ge V,打在一大塊鎢上，產生粲介子Ds,它的衰變可以產生一個陶輕子和一個陶反中微子。陶輕子再衰變成陶中微子，穿過36米的屏蔽層到達探測器。同樣，也只有中微子才能穿透屏蔽層。陶中微子在探測器中發生核反應，生成陶輕子，從而被探測到。陶輕子的壽命非常短，因此不像繆子和電子能在探測器中形成長的徑跡，而是只有1毫米。為了探測它，DONUT不得不采用了一種古老的技術--核乳膠，其主要成分就是傳統相機膠卷上的顯影成份溴化銀。陶輕子衰變成繆子或電子，我們會在探測器中看到，在1毫米的徑跡后，緊跟著一條轉折后的長徑跡。這個留在核乳膠上的“轉折”是陶輕子的關鍵特征。DONUT共觀察到4個這樣的事例，預期本底只有0.2個，因此確鑿地發現了陶中微子。
原標題：中微子研究的歷史與未來
中微子研究已有漫長的歷史。從泡利1930年提出存在中微子的假說，迄今已有85年。從首次探測到中微子算起，也有60年歷史。因為中微子難以探測，起初發展較為緩慢。1998年日本超級神岡實驗發現中微子振蕩，迎來了中微子研究的黃金時代。各種研究蓬勃發展，美國甚至停掉了除大型強子對撞機以外的其他大型實驗，將粒子物理研究的主要精力放在了中微子上。本文將簡要回顧中微子研究的歷史，并介紹現在和未來的中微子實驗研究。
一、發現中微子
中微子最顯著的特點就是幾乎不與物質相互作用，因而穿透能力強，同時也使得探測非常困難。
我們身邊的中微子其實非常多，例如一個典型的核反應堆每秒鐘產生6萬億億個中微子，每秒鐘有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體，宇宙大爆炸的殘余中微子更是在整個宇宙空間內多達330個每立方厘米。大多數核過程都會產生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、巖石的天然放射性、超新星爆炸，等等，連每個人都會因體內的鉀40衰變而每天產生4億個中微子。
這些中微子幾乎自由地穿行，本身不能被探測，只有極少的一部分會被探測器捕獲，變成可觀測的粒子，因此現代的大型中微子實驗動輒上萬噸。以江門中微子實驗為例，2萬噸液體閃爍體每天只能探測到60個反應堆中微子，4個大氣中微子，1個地球中微子，以及90個硼8太陽中微子。與之相比，作為本底的宇宙線則有10萬個，這還是將探測器放到地下700米，宇宙線流強降低了20萬倍后的結果。
自從泡利預言中微子后，人們嘗試了許多方法來尋找它，其中包括王淦昌1941年提出的K電子俘獲方法，美國人阿倫用它得到了中微子存在的證據。但直到1956年，才由萊因斯（F. Reines）和柯溫（C.Cowan）首次直接探測到中微子，萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾獎。
萊因斯是一名理論物理學家，他加入了曼哈頓項目，在費曼（R. Feynman）和提出太陽內部氫核聚變機制的貝特（H. Bethe）領導下，為洛斯阿拉莫斯實驗室的理論組工作。萊因斯曾回憶說，他的理論物理思維方式在發現中微子的過程中至關重要，“因為一個靠譜的實驗家會認為根本沒有成功的可能?！?br>
最初他和柯溫的想法是在原子彈試驗時，在靠近核爆中心的地下放一個探測器。核爆瞬間產生大量中微子，也許他們能抓到幾個。后來在別人的勸說下放棄了這個瘋狂的想法，改用更溫和穩定的核反應堆。他們的第一個實驗在漢福特反應堆進行，采用了300升液體閃爍體，這是當時最大的探測器。此前的物理實驗很少采用1升以上的液體閃爍體。核武器試驗產生了大科學工程的雛形，使他們敢于考慮“大規?！钡膶嶒?。反應堆中微子在探測器中發生反貝塔衰變反應，產生正電子和中子，短時間內在液體閃爍體中先后形成兩個信號，這種特征能極大地壓低天然放射性本底?，F代的反應堆實驗，如大亞灣和江門中微子實驗，依然沿用了這種原理。不過由于宇宙線本底沒有屏蔽好，漢福特實驗的結論并不清晰，1953年他們發表論文說“可能”探測到了中微子。
汲取經驗教訓后，他們來到了更大的薩瓦納河反應堆旁，在距反應堆11米、位于地下12米的地方，采用了更大的探測器，包括400千克氯化鎘水溶液和4200升液體閃爍體。這次他們確鑿無疑地找到了中微子。即便如此，由于探測中微子的困難性，貝特聽到他們成功的消息后依然將信將疑，說“我們不能論文上寫的什么東西都信”.也確實如此，萊因斯和柯溫測得的反應截面與當時的理論符合很好，不幸的是，同年李政道和楊振寧提出宇稱不守恒，導致中微子反應的理論截面增大了一倍。他們重新分析了數據，又與新理論符合得很好，在同行中引起了非議。也許因為這個原因，如此重要的工作過了39年才被授予諾貝爾獎。
相較于首次發現中微子的曲折和撲朔迷離，發現第二種中微子的過程看上去要簡單一些。1962年萊德曼（L. Lederman）、施瓦茨（M. Schwartz）和斯坦伯格（J. Steinberger）利用布魯克海文實驗室的15Ge V質子加速器AGS,建立了世界上第一條中微子束流。質子束流打擊鈹靶，產生了大量π介子，π介子再衰變，變成一個繆子和一個中微子。由于質子能量很高，所有這些次級粒子都沿原初質子的方向前沖，但只有中微子才能穿透13.5米厚的鋼屏蔽層，到達10噸重的火花室探測器。中微子在探測器中發生核反應，生成帶電輕子，從而被探測到。加速器產生的中微子數遠不如核反應堆多，但能量要高幾百倍，而中微子發生反應的截面大致正比于其能量，再加上加速器容易控制，因此比較干凈地探測到了中微子。他們發現中微子束流在探測器中只能產生繆子，而不能產生電子，說明這是一種新的中微子，繆子與繆中微子、電子與電子中微子之間分別存在輕子數守恒。他們因此獲得了1988年的諾貝爾獎。
1989年，歐洲核子研究中心通過Z0衰變截面的測量，證明存在且只存在3種中微子。最后一種中微子--陶中微子直到2000年才被美國費米實驗室的DONUT實驗發現。陶中微子的產生與探測都更加困難。質子由當時最強大的加速器Tevatron加速到800Ge V,打在一大塊鎢上，產生粲介子Ds,它的衰變可以產生一個陶輕子和一個陶反中微子。陶輕子再衰變成陶中微子，穿過36米的屏蔽層到達探測器。同樣，也只有中微子才能穿透屏蔽層。陶中微子在探測器中發生核反應，生成陶輕子，從而被探測到。陶輕子的壽命非常短，因此不像繆子和電子能在探測器中形成長的徑跡，而是只有1毫米。為了探測它，DONUT不得不采用了一種古老的技術--核乳膠，其主要成分就是傳統相機膠卷上的顯影成份溴化銀。陶輕子衰變成繆子或電子，我們會在探測器中看到，在1毫米的徑跡后，緊跟著一條轉折后的長徑跡。這個留在核乳膠上的“轉折”是陶輕子的關鍵特征。DONUT共觀察到4個這樣的事例，預期本底只有0.2個，因此確鑿地發現了陶中微子。
