什么是幽灵粒子？它的作用有多大？

作者&投稿：祖勇（若有异议请与网页底部的电邮联系）

幽灵粒子其实就是中微子，至于为什么叫它幽灵粒子，完全是因为这种粒子很难被人们捕捉到，就跟幽灵一般。可以这么说，在目前已知的所有基本粒子中，中微子是最难被探测到的。当然在宇宙中，还存在着一些我们目前无法探测到的粒子，例如：比中微子速度稍微慢一点的暗物质粒子，我们也称其为冷暗物质。

暗物质粒子比中微子更加神秘。虽然我们人体对中微子和暗物质粒子无感，但是它们切切实实充斥着我们周围的空间，每秒钟就有数万亿个中微子和暗物质粒子穿透我们的身体。

那么我们是如何发现中微子的？

首先说下，我们能发现中微子却发现不了暗物质粒子，是因为中微子不仅在宇宙的早期被大量的保存了下来，其数量仅次于光子，是宇宙中第二多的粒子，而且中微子还是核反应的副产品。但是暗物质粒子我们只知道在宇宙早期生成了这种粒子，但它们目前不参与任何形式的反应，所以我们无法去探测暗物质粒子。

现在我们回到中微子，这种粒子的发现得益于我们人类对小尺度或者是核反应的发现与研究。在此之前，我们认为宇宙中基本的守恒法则是质量守恒，因为人们发现不管是哪种化学反应，还是物理作用，也就是说你不管把一个物体让它经历怎样的化学变化，或者通过物理的方式捶打成任何的性状，反应之前的物质质量总和总是反应后生成物的质量总和是相等的。

以上的思想就是我们上中学时，写化学方程式的原则，也就是物体的质量是不会发生变化的。但是当人们的研究尺度从原子层面走向了原子核，能量形式从化学反应走向了核反应，就发现了质量守恒这个准则出现了问题。因为在自然界中有些较重的原子核，一般来说比铅重的元素都会发生衰变，衰变的方式就是通过释放α粒子（氦原子核）或者β粒子（单个电子）转变为更轻的元素。

这种神奇的反应会导致物质的质量明显的缺失，让人们不禁会想：这是不是违反了质量守恒定律。事实证明，当爱因斯坦通过狭义相对论方程推导著名的E=MC^2以后，人们才知道质量其实是能量的一种变现形式，而原子核发生核反应以后，生成物质量的缺失是因为有一部分质量通过能量的形式消散掉了。而之前的化学反应没有发现质量缺失，是因为消散的能量实在是太小了，甚至可以忽略不计。

至此，维持了几千年的质量守恒定理就被改写为能量守恒，也就是说，在一个封闭的系统中，物质不管是经历怎样的变化，能量永远是不会凭空消失的。当人们在仔细测量放射性原子的β衰变时，又发现了问题。这一次让很多的科学家很恼火，甚至是有人都想放弃能量守恒这个铁律。

因为放射性元素在发生β衰变以后，通过测量反应前后的能量总量，依然发现了有很小的一部分能量缺失，但这种缺失并不能忽略不计。而当时人们并没有发现在β衰变的过程中还生成了什么粒子。所以就连当时的科学大牛波尔都开始怀疑能量守恒可能是错的。

这种情况其实只有两种选择，要么彻底放弃坚持了几个世纪的铁一般的定律，要么就是在反应中肯定还生成了我们未知、并且目前还无法探测到的粒子，它们在生成时带走了一部分能量。物理学家泡利选择了后者。在宇宙中除了能量守恒，还有电荷守恒，在反应前后并没有发现电荷发生任何的变化，所以泡利认为这种新的粒子和中子的性质一样不带电荷是中性的，而且质量很小，因此当时称其为微中子，后来才更名为中微子。

到了1950年美国物理学家柯万（Cowan）和莱因斯（Reines）等人，通过氢原子核，也就是质子，捕捉核反应堆中生成的反中微子，发生反β衰变成功的证明了中微子的存在。并且在1995年获得诺贝尔物理学奖。虽然发现了中微子，但是它的质量一直困扰着科学家，知道现在都没有解决中微子的质量问题。

那么中微子为何如此难以探测呢？

中微子难以探测主要有以下几个方面：

首先不参与电磁相互作用是最主要的原因。在自然界中存在着四种基本力（电磁力、引力和强核力、弱核力），其中电磁相互作用力和引力是生活中最直观也是影响最远，最广泛的两种力，我们人类目前所掌握的探测手段，基本都集中在电磁力上。而中微子不带电荷，所以不发生电磁相互作用，因此中微子可以轻松的穿透任何物质原子。

再一个就是中微子质量极低，而且个头也小。中微子和电子一样属于轻子，但中微子的质量比电子要低得多，而且反应横截面很小，它和原子核或者任何粒子相撞的几率非常低，也就是中微子很少会参与弱相互作用。因此它的穿透能力极强，5光年的铅块才能勉强挡住中微子。

最后一个就是，中微子质量的问题。标准模型预测中微子没有质量，但是我们在观测太阳中微子的时候发现捕捉到的中微子是预测总量的1/3，这说明中微子有很大一部分消失了。这就是著名的太阳中微子问题，后来人类才知道，中微子并没有消失。而是中微子也存在三种味（电子中微子，μ中微子和τ中微子），这三种中微子可以通过弱相互作用互相转换。这说明中微子存在质量，这也就是我们常说的中微子震荡，指的就是中微子相互之间的转换。