今天我們討論一個很前沿地科學話題，到底有多前沿呢？先聽聽它所擁有的頭銜：宇宙深處的神秘信使、幽靈粒子、暗物質已知的候選者，看到這些名詞，估計夥伴們已經知道它是誰了。對，沒錯！它就是一秒鐘能夠穿透你大拇指一萬億次的奇異粒子——中微子。哈哈，有沒有被震驚到，不過它的神奇之處才剛剛開始，我們就從一下幾個方面開始今天的探秘之旅吧！
太陽內部發生了什麼？數據出現了什麼異常？泡利和費米怎樣解釋這種異常？理論有了，我們開始垂釣中微子吧。太陽中微子問題和中微子的風味進一步研究，總結：中微子對我們人類科技生活和宇宙模型的影響帶著這些疑問和期待我們一起垂釣中微子！太陽內部發生了什麼？太陽和中微子有什麼聯繫
要想了解中微子，我們還是要先從我們的太陽說起，直到上個世紀初還沒有人能解釋太陽內部和周圍的發生著什麼。愛因斯坦通過他最著名的方程式，E=mc表明質量和能量可以互相轉化。一個微小的物質微粒蘊含著巨大的能量。這個想法證明了太陽的核心發生著核聚變反應，氫原子核發生聚變反應形成氦原子核，在這個過程中釋放出大量的能量來對抗恆星的重力坍縮。這種反應產生了巨大的能量，整個太陽系在這種能量上已經維持了大約45億年。
我們以光子的形式接收來自太陽的能量。但是，這些光子來自太陽的表面和大氣層。那我們是怎麼知道太陽內部發生了什麼?我們怎樣才能證明太陽內部存在核聚變呢?答案就在一種奇怪的、幾乎無法探測到的粒子中微子身上。
原子核的正電子/β衰變在原子核中，如果兩種核素（質子和中子）的數量不平衡，那麼原子核就不穩定，因此它會釋放出能量粒子來變得更加穩定。在19世紀早期，人們發現，如果只有原子核和電子參與到原子的β衰變中，能量和動量守恆就會出現異常。
讓我們來考慮一個較重的原子核X， 質量數為A和質子數為Z。這裡，質子數大於中子數，核素的不平衡使原子核變得很不穩定。原子核將會通過弱相互作用（自然界四大基本力之一）經歷一個正電子衰變的過程，將質子轉化為中子，從它的核中發射出一個正電子，成為更穩定的原子核Y。正電子通常用β 表示。
原子核衰變正電子是電子的反粒子(因此也稱為反電子)，與電子質量相同，電荷相反。反粒子的概念是保羅·狄拉克的革命性著作，正電子是狄拉克本人提出的第一個反粒子概念。
質子和中子由一些叫做夸克的基本粒子組成。夸克有六種類型或風味，即上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，而中子有兩個下夸克和一個上夸克組成。
當原子核X經歷正電子衰變時，弱相互作用將上夸克轉化為下夸克，從而將質子轉化為中子，反之亦然。這就是為什麼質子數從Z減少到Z-1而質量數保持不變的原因。在這個過程中產生了一個正電子。正電子是在原子核內部產生的，由於它與帶正電荷的原子核之間的靜電斥力而被逐出原子核。這個過程被稱為原子核X的放射性衰變。
原子核衰變後的能量異常
最初，原子核X處於靜止狀態，動量為零。因此，經歷β衰變後的原子核Y和β 應該在相互相反的方向上具有相等的動量，以保持動量守恆，即P=-P。讓我們假設，P=-P=P。
過程中釋放的能量是兩種產物的動能之和
由於兩種產物具有相同的動量，因為正電子的質量較小，所以正電子幾乎攜帶了所有的動能。因此，過程中釋放的能量大約等於正電子所攜帶的動能，即常數Q=K(請悉知動能和動量的區別)
然而，實驗結果顯示出一個連續分布的能量值和正電子的發射數量關係如下圖所示：
從圖中可以明顯看出，大多數正電子攜帶的能量都比Q小得多，能量為Q的正電子數量實際上為零。這意味著正電子攜帶的能量是可變的，而不是理論計算預測的常數。
有一種類似的衰變過程，中子被轉換成質子，從原子核中噴射出一個快速運動的電子。這些快速移動的電子被稱為β粒子，因此衰變過程通常被稱為β衰變。β粒子通常用表示為β。在這個過程中也觀察到了類似的能量異常。
那麼，如何解釋這種異常呢？
泡利的提議為了調和這一反常現象，沃爾夫岡泡利(Wolfgang Pauliin)在上世紀30年代提出了一個可以完美解決這一反常現象的想法。他提出在這個過程中會產生第三個靜止質量為零、電荷為零的粒子，它攜帶著衰變中缺失的能量。這種新粒子補償了衰變過程中能量和動量的異常。
費米為中微子正名1933年，物理學家恩裡科·費米(Enrico Fermi)提出了一種β衰變理論，通常稱為費米相互作用。在這個理論中，費米第一次為正電子衰變過程中產生的新粒子正名為中微子，用ν表示。
在β衰變過程中也會產生類似的粒子，通常被稱為反中子，即中微子的反粒子。反中微子用（ν-上標）表示。
從下圖可以很好地理解整個β衰變過程:
中微子是一種具有獨特特性的粒子。質量極低(最初它們被認為是無質量的)，沒有電荷。它們很少與普通物質發生相互作用。由於中微子的非交互性，在你看這篇文章時你已經被中微子穿透無數次了，它能輕鬆穿透地球都不帶偏轉的，什麼X射線，γ射線簡直弱爆了。因此，探測中微子是一件極其困難的事情，所以中微子也被稱為自然界的幽靈粒子。
中微子的探測
1942年，中國核物理學家王淦昌提議中微子可以在一個非常罕見的過程中被探測到，稱為電子俘獲。在這個過程中，一個缺中子的原子核從原子的內殼層(通常是K或L)吸收電子，並將質子轉化為中子，從原子核中會釋放出中微子。釋放的中微子攜帶著反應中產生的所有衰變能量，這與β衰變中的情況不同。
1956年，物理學家克萊德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德裡克·萊恩斯(Frederick Reines)在他們著名的考恩-萊恩斯中微子實驗中首次發現了中微子，並因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。在本實驗中，利用衰變在核反應堆中產生的反中微子與質子發生反應，使質子轉化為中子釋放正電子。
正電子（β ）和一個電子以伽馬射線的形式相互湮滅釋放能量，這種射線是可檢測到的。同樣，中子也被俘獲在釋放伽馬射線的原子核中。電子湮滅和中子俘獲的巧合是反中微子相互作用的一個標誌，證明了反中微子的存在。
太陽中微子問題和中微子味道
太陽中微子是太陽在一系列核聚變反應中產生的中微子。這些中微子的主要來源是質子-質子鏈反應。
太陽中微子是地球上從任何自然來源接收到的最大數量的中微子。事實上，每秒鐘就有一萬億中微子穿過我們的拇指。那麼，如何檢測和計算這些到達地球的太陽中微子的數量呢?
在20世紀60年代由雷蒙德·戴維斯和約翰·N·巴赫克進行的Homestake地下礦井實驗，一個裝滿了富含氯的液體的大容器——全氯乙烯，被建造在地下1500米深處(以保護實驗不受宇宙射線的影響)。因為中微子與物質相互作用的可能性非常低，所以實驗所用的液體量非常大，以便最大限度地提高中微子相互作用的可能性。來自太陽的中微子很少一部分與氯-37原子核發生相互作用，並將其轉化為放射性同位素氬-37。
通過收集形成的氬-37原子，並計算氬-37原子的數目，確定了對太陽中微子的成功探測，同時也計算了中微子的數目。
然而，實驗發現，這些中微子的數量只有理論計算的三分之一。中微子計數上的這種差異通常被稱為太陽中微子問題，（下文會解釋）但這是人類第一個成功探測和計數太陽中微子的實驗。
幾年後，人們發現除了通常已知的電子中微子之外，還有另外兩種風味或類型的中微子，即μ介子中微子和τ中微子。後來人們假定中微子具有非零的靜止質量，這與幾十年前的看法剛好相反，中微子的每一種風味都略有不同，但質量卻相差無幾。根據宇宙的標準模型，太陽中微子是電子中微子，理論上只有這些風味的中微子存在。然而，目前已經觀察到中微子的第四種風味可能存在，它被命名為S中微子——惰性中微子，這可能導致未來宇宙標準模型的修訂。
1998年，在日本超級神岡天文臺進行的實驗證實，從太陽發出的中微子在飛往地球探測器的圖中會改變風味（類型）。一些來自太陽的電子中微子在到達地球之前會轉變成另外兩種風味。由於風味的變化，Homestake地下礦井實驗中的探測器無法檢測到所有的太陽中微子，這為解決太陽中微子問題提供了一個令人滿意的解決方案。
美國科學家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis Jr）、日本科學家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美國科學家裡卡爾多·賈科尼(Riccardo Giacconi)，分享了2002年諾貝爾物理學獎，因為他們在探測太陽中微子方面做出了貢獻。
總結：進一步研究，中微子會為我們帶來什麼？
在這些發展之後，人們對中微子研究投入了更多的精力。對這種特殊粒子的獨特性做了許多小型到大型實驗，希望能更好地了解它的行為。德國的卡特琳實驗用世界上最大的光譜儀在2018年開始收集數據，以確定電子中微子的質量。
2013年，多個國家合作進行的T2K實驗證實了中微子振蕩理論。
雖然中微子是一種微小的質量粒子，但它們的數量之多可以對其他物質產生巨大的引力。因此，目前確定的三個中微子是暗物質中唯一已知的基本候選粒子。
當宇宙射線與地球大氣中的原子核相互作用時，會產生一些粒子，例如正電子，其中也包括中微子。1965年，在印度科拉爾金礦的地下實驗室中，首次探測到宇宙射線與大氣原子核相互作用產生的大氣中微子。
中微子是天文學中的一個重要粒子。太陽核心不能用普通的電磁射線成像。因為大部分的輻射都無法穿透高密度和高壓富含帶電離子的環境。由於中微子的低質量和零電荷，它們很容易穿透太陽的外層到達地球。這些中微子可以用來成像太陽的核心。由於同樣的原因，中微子在超新星和星系核的觀測中也有重要的用途。
中微子是探測太陽系外天體物理源的理想候選粒子，因為它們是唯一已知的外太空粒子，在穿越太空時不會顯著衰減。
2012年，一組美國科學家通過一塊237.744米厚的巖石傳輸了一條連貫的中微子信息，這標誌著中微子首次被用於通訊。它可能會在未來導致中微子通信的誕生，在那裡二進位中微子信息可以通過密度更大的材料，如穿越地球核心發送中微子信息。
位於南極的冰立方中微子觀測站使用了一個1000立方米的冰塊，整個體積都裝有光電倍增管，用於探測宇宙中微子。
2018年，該團隊宣布他們已經探測到高能中微子擊中了他們的探測器，這些中微子來自距離地球37億光年的拉扎爾TXS 0506+056，位於獵戶座的方向。
中微子是宇宙中的一種奇異粒子，在未來可能關於中微子會有許多神奇的發現。它是一個從深空到地球的信使，掌握著宇宙許多奧秘的鑰匙，我們期盼著中微子隨著時間的推移會給我們帶來意想不到的驚喜。每隔一段時間，全球不論是哪個科學領域都會有新的發現，這些發現會為我們揭開一個已知的自然之謎。但是，他們又會對我們理解自然規律提出了新的問題。不過這就是科學的誘人之處，一個不斷循環和揭開奧秘的過程，但科學是不斷朝著更好地理解宇宙的方向前進。這一點令我們感到欣慰，我們終有一天會知道這一切到底是怎麼回事。