中微子属于宇宙中的基本物质粒子，与许多其他粒子一起归在标准模型中。那么，为什么我们要为中微子单独写一节呢？是不是有什么事情只有它们能做到呢？

首先，有许多事情是它们不能做的。由于中微子既不带电荷，也不带色荷（只有夸克才有这两个特性），它们既不参与电磁相互作用，也不参与强相互作用。而且由于它质量超轻，所以它几乎不会通过引力起作用。剩下的就只有弱相互作用了。顾名思义：弱相互作用很弱。非常弱。这意味着，中微子几乎不与任何东西相互作用。这还不算太坏。你知道，我们身体的每一平方厘米上，每一秒都有1 000 000 000 000个中微子打在上面吗？如果它们都可以像α、β或γ射线一样相互作用，我们会在几秒钟内死亡。但它们只是视我们如无物般穿过我们的身体而已。如果一个粒子不发生相互作用，它也不会失去能量。因此，我们很难阻止它，真的很难。要想阻止50%的中微子通过，你需要一光年厚的铅墙。

中微子的发现

如果它们如此难以捕捉，我们又如何知道它们的存在呢？在20世纪20年代，物理学家们遇到了一个令他们抓狂的问题，他们拼命地为其寻找答案。在β衰变中，原子核内的质子可以转变为中子，中子也可以转变为质子。为了留住电荷，一个正电子或电子（β粒子）会被放出。人们观察这些β粒子的衰变并且测量它们的能量。人们发现，和α射线的能量不一样——α粒子的能量总是固定值——β射线中广泛分布着能量，这意味着β粒子没有携带上本应在这些过程中释放的全部能量，而是似乎与另一种粒子分享了能量。但这个推断要成立，意味着这种额外的粒子看不见，不参与相互作用，也没有质量。可是想象一下，如果有人告诉你，一头巨大的大象正站在你面前，你既看不到也感觉不到，你一定很难相信，对吗？每一个理论只有在能够被实验证明的情况下才是可靠的。幸运的是，中微子（神秘的看不见的另一种粒子）至少可以参与一点相互作用。这意味着：如果你打造一个探测器来搜索中微子，那么你迟早会（在这件事上只会“迟”不会“早”）观测到它。在这些中微子探测器中，β粒子衰变的过程颠倒了过来：一个中微子撞击一个质子，将它转化为一个中子和一个正电子。这个过程成功了，于是人们终于在1956年发现了中微子。

到目前为止，我们只讨论了单个中微子的情况。其实标准模型中有三个：每种带电的轻子（电子、μ子和τ子）都有其对应的中微子。而每种带电的轻子都只与相应的中微子相互作用。因此参与β粒子衰变产生的就只有电子中微子，μ子衰变产生的就是μ子中微子。这里还涉及中微子的反物质小伙伴：反中微子。β衰变中创造出一个正电子（反物质）时，同时也会创造出一个中微子（物质）——这是为了保持物质/反物质的平衡。

中微子的来源

还记得我们之前讲过的穿过我们所有人身体的大量中微子吗？你有没有想过它们是从哪里来的？它们产生于太阳——氢核聚变为氘的地方。在核聚变过程中，一个质子变为中子，同时一个电子中微子和一个正电子会一起被太阳排出去。由于太阳相当大，打到地球和我们身上的中微子也相当多。要估算出应该有多少中微子撞击我们，你需要一个关于太阳和太阳内部活动的模型。测试模型需要进行测量，这便是物理学家所做的：他们建造了中微子探测器，并对中微子进行了计数。还记得我们之前提到过的、为捕捉中微子准备的那块厚达一光年的铅块吗？物理学家们尽全力制造出了尽量大的探测器。这些探测器中，有些工作原理与发现中微子的探测器一样，它们会逆转中微子产生的过程；还有些利用的是一种被称为“切伦科夫辐射”的效应。

如果你见过核反应堆的内部，那么你可能看到过这种类型的辐射。它就是存放燃料棒的水中盈盈的蓝光。燃料棒发生β粒子衰变时会发射出电子和正电子（从现在开始我们只说发射出电子的情况，但你也可以把它想成发射正电子）。而且它们的速度很快，非常快，比光速还快。“哈”，你可能会想，“没有什么能超过光速。爱因斯坦知道，我也知道。”如果在真空中，你这么说没错。真空中，光速便是物体运动能达到的最高速度。但在像水这样的介质中，情况就可能不同了。怎么会这样？

如何才能超过光速？

你可以移动的最大速度取决于你与环境的互动。现在让我们来确定一个婴儿试图向圣诞树爬行的最大速度。假设这个婴儿在一个叫作“家庭”的环境中移动。婴儿将与家庭环境产生互动：每隔一段时间，就会有人抱起婴儿，拥抱它，然后再把他放回地上。这有效地减慢了婴儿的速度。而光在水中也会发生同样的事情：原子吸收并重新发射光，有效地减慢了光的速度。“真空中的光速”与“介质中的光速”的比值叫作“折射率”，你也许能从光学中知道这个术语：它就是光束从空气中传入水或玻璃中时，使光束产生弯曲的数字。现在，想象我们有一颗电子在水中以比光还快的速度传播。由于电子参与电磁相互作用，电子会“摇晃”水的原子。这将使原子的电子发生振**，振**的带电粒子就会产生电磁辐射，也就是光。通常情况下，原子的摇晃会彼此抵消。但如果电子摇晃原子的速度比光快，就会发出“切伦科夫光”锥。这类似于飞机飞行和突破音障时人们可以观察到的冲击波锥。

现在让我们用切伦科夫光来探测中微子吧！我们只需要水和光探测器就够了。如果一个中微子通过弱相互作用在水中与水发生相互作用，它将从一个水分子中驱逐出一个电子，也就是从一个氢原子或氧原子中驱逐出一个电子。电子将会以非常高的速度在水中穿过，并发出可以被探测到的切伦科夫光。切伦科夫光锥的方向甚至可以告诉我们中微子的入射方向。要建造一个真正优质的中微子探测器，你需要大量的水。五千万升怎么样？为了保护你的探测器不受到其他辐射源（如宇宙辐射）影响，最好把它建在地下，比如在一座山的内部。说起这种巨型中微子探测器，位于日本神冈山下的超级神冈探测器便是一个很好的例子。超级神冈探测器实验的主要目标之一是测量一种叫作“中微子振**”的现象。而这种振**其实就是只有中微子才能做到的事。所以，单独为讲中微子留出一节是有道理的，你觉得呢？