3、发现中微子实验

1956年，研究中微子的物理学家们有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年内，美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。许多研究人员认识到，这些核反应堆每秒每平方英寸内辐射出300万亿个中微子，因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合，但是也存在一种微弱的可能性，即存在足够多的物质，一个中微子应该可以撞击到某种事物。

在β衰变的反过程中，这种直接撞击可以产生伽马射线。当时，物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河电厂附近，只要反应堆开启，他们的实验就有可能首次探测到中微子。虽然科万于1974年就已去世，但雷因斯却因此于1995年荣获诺贝尔奖。本图所示内容为，两位科学家宣布发现中微子的电报。 

4、加拿大萨德伯里中微子实验

几乎所有的中微子都产生于太阳内部巨大的核反应堆中。天文学家希望能够捕获这些中微子，因为它们之中包含有太阳内部的重要信息。1964内，物理学家雷-戴维斯和天文学家约翰-巴卡尔在美国南达科塔州的霍姆斯塔克矿中建立起一个实验环境用于发现这些中微子。这种探测器需要建于深深的地下，是因为闯入地球大气层的宇宙射线可能会干扰实验结果。

在霍姆斯塔克实验环境建成并开始运行后，研究人员发现了一种奇特的现象。根据他们的计算，太阳的中微子应该比他们实际探测到的三倍还要多。因此，科学家们从头再来，试图寻找计算过程中的错误和漏洞，并更正估算结果。但是，他们仍然无法发现自己错在哪里。霍姆斯塔克实验运行了30多年，总是得出同样的结果。天文学家怀疑自己的太阳模型可能是完全错误的。这一问题一直持续到上世纪90年代中期。这时，研究人员发现了中微子其实有三种不同的类型，β衰变过程中或太阳内部产生的中微子是电子中微子，而其他过程中产生的粒子则是缈子中微子与涛中微子，霍姆斯塔克实验中探测到的就是电子中微子。在从太阳飞往地球的过程中，电子中微子会转变成其他类型。因此，霍姆斯塔克实验就无法探测到其他两种中微子。

随着新探测器的出现，三种中微子都被探测到，那这种谜团就不再存在。这一发现意义重大。此前，一些科学家认为中微子没有质量，而不同类型中微子之间的转变需要粒子拥有质量。2001年，加拿大萨德伯里中微子实验室探测到所有三种来自太阳的中微子。 

5、IMB探测器

上世纪80年代，科学家被一个与中微子无关的问题所困扰。一些理论家认为，被公认为稳定的粒子--质子应该可以衰变成更轻的亚原子粒子。如果这一说法正确，那么这将是物理学家长期以来梦寐以求的结果，从而可以形成一个统一的理论，将电磁作用力、强作用力和弱作用力理论融合在一起。如果质子会衰变，这将会对地球上的生命造成很大的麻烦，人体内的原子可能混乱地转变成其他元素。因此，理论家认为，质子可能会衰变，但速度极为缓慢，时间表甚至比宇宙年龄的20个数量级还要长。

为了验证这一结论，科学家们在一个盛满水的大容器中监测质子的数量。为了保证实验不受干扰，实验环境必须建设于地下。闯入大气层的宇宙射线也可能会产生中微子，这些中微子可能会进入地下。由于穿过探测器的中微子看起来非常像一个衰变的质子，因此研究人员需要弄清楚他们可能会看到多少中微子。在测量过程中，科学家们发现了非常怪异的现象。来自实验环境以上的中微子要远远多于下部抵达的中微子，比例大约是2：1。历经10年的困扰，科学家们终于发现，中微子在飞行过程中，来自地底的中微子有时间转变成不同类型的中微子，由于实验设备只对一种中微子敏感，因此就错过了发生变异的其他中微子。这一发现证明了中微子在长距离飞行过程中会发生性质的转变。

本来用于探测质子的实验，发现了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然没有人能够发现质子衰变。本图所示，一名潜水员在俄亥俄州的IMB探测器中游泳。这个探测器建造于上世纪80年代初，本来用于探测质子是否衰变，反而帮助科学家发现了大气中微子的振荡。

6、液体闪烁器中微子探测器实验

1993年，科学家们在洛斯阿尔莫斯国家实验室中建造了液体闪烁器中微子探测器。他们的目标就是弄清楚中微子是否能够从一种类型转变成另一种类型。液体闪烁器中微子探测器的著名之处在于它发现了电子反中微子。对于这一怪异的发现，最好的解释就是新的物理学发现。液体闪烁器中微子探测器的发现表明可能存在第四种或更多类型的中微子。第四种中微子的存在将对现有的粒子物理学模型发起巨大的挑战，但它也可以用来解释某些未解谜团，如超新星爆炸的细节等。不过，许多研究人员仍然对液体闪烁器中微子探测器的发现持怀疑态度，这一发现又成为中微子物理学中的一大谜团。本图所示，一位物理学家蹲在液体闪烁器中微子探测器中。 

7、迷你升能器中微子实验

从2002年起，美国费米实验室科学家开始启动新的探测实验--“迷你升能器中微子实验”，该实验的目的就是证实或否定液体闪烁器中微子探测器实验的发现成果。他们最初的结果似乎证明液体闪烁器中微子探测器实验结果有误，但是进一步的实验数据发生了变化。“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说，“现在看起来，迷你升能器中微子实验与液体闪烁器中微子探测器实验的结果是一致的。”两大实验的结果表明，仍然存在许多怪异现象。中微子科学家们需要建造更多的探测器和实验设施去解答这些谜团。本图所示场景为迷你升能器中微子探测器的墙壁。 

8、长基线中微子实验

为了完全揭开中微子之谜，科学家们需要新一代的探测设备。美国科学家们希望能够获批建造长基线中微子实验设施，他们通过这一实验或将能够回答一个深奥的问题：宇宙为什么是由物质组成的，而不是反物质。这一设施将产生世界上强度最高的中微子束，并将它从美国费米实验室发送到南达科塔州的霍姆斯塔克矿中。尽管这一实验设施尚未正式获得批准建设，但该实验已吸引了400多名科学家签约加盟。本图所示为长基线中微子实验示意图。 

(文/科技日报、新浪科技)