中微子和夸克：一篇文章读懂 中微子 夸克
中微子和夸克：一篇文章读懂 中微子 夸克中微子的发现来自对β 衰变的研究。人们发现，物质在β 衰变过程中释放出的电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了。玻尔据此认为，β 衰变过程中能量守恒定律失效。1899 年，卢瑟福发现β 衰变现象，它涉及的是原子核中的一个中子转化成一个质子，并伴随着一个高速电子的释放。图片来自网络1997 年，美国天文学家宣布，他们利用先进的γ 射线探测卫星发现在银河系上方约3500 光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940 光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。现在人们最想知道的就是，宇宙中真的存在反物质星球吗？17.2 宇宙隐形人：中微子
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反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的物质。反物质是物质的“镜像”形式。
1995 年，欧洲核子研究中心的科学家在世界上制成了第一批反物质——反氢原子。科学家利用加速器，将速度极高的负质子流射向氙原子核，以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产生正电子，
刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个负质子结合就会形成一个反氢原子，其平均寿命仅为30ns（一亿分之三秒）。2011 年，欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过16min。同年，在位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室，来自多个国家的科学家们合作制造出了迄今最重的反物质——反氦原子。
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1997 年，美国天文学家宣布，他们利用先进的γ 射线探测卫星发现在银河系上方约3500 光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940 光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。现在人们最想知道的就是，宇宙中真的存在反物质星球吗？
17.2 宇宙隐形人：中微子
1899 年，卢瑟福发现β 衰变现象，它涉及的是原子核中的一个中子转化成一个质子，并伴随着一个高速电子的释放。
中微子的发现来自对β 衰变的研究。人们发现，物质在β 衰变过程中释放出的电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了。玻尔据此认为，β 衰变过程中能量守恒定律失效。
能量守恒定律失效这个说法太过牵强。1930 年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，他认为在β 衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测到。1931 年，泡利提出，这种粒子并非原本就存在于原子核中，而是由衰变产生的。
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泡利预言的这个窃走能量的“小偷”被意大利物理学家费米命名为“中微子”，意为“微小的中性粒子”。1934 年，费米在中微子理论研究中做出了重大贡献，他的创举在于将β 衰变归结于粒子的产生和湮灭。该理论直接为量子物理带来了一个至今仍占中心地位的重要思想：微观世界中的相互作用都是通过产生和湮灭粒子发生的。
中微子个头小，不带电，只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力，能轻松穿透地球，就像宇宙间的“隐形人”。地球上每平方厘米每秒有600 亿~1200 亿个中微子穿过，但是在100 亿个中微子中才有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。直到1956 年中微子才被观测到，证明了它的存在。
对中微子的研究表明，中微子具有质量，但其质量非常非常小，以至于人们目前还测不出准确数字，只能给出一个质量上限值。
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关于中微子曾有一个轰动世界的新闻。2011 年9 月，意大利格兰萨索国家实验室公布“中微子运动速度超光速”的试验结果，引起世界震动。不过在2012 年6 月8 日，该实验室宣布撤销此项试验结果，原来是因为试验装置存在光缆连接问题而导致测量误差。真是虚惊一场。
17.3 世界的基石：夸克
1930 年以后，科学家们开始制造粒子加速器（图17-2）。加速器是用电磁场把带电粒子加速到高能高速的装置，它是探测微观粒子的有力武器。在这里，带电粒子被加速到极高的速度，然后与其他粒子或其他物体发生剧烈的碰撞，连原子核都能被撞个粉碎，于是最基本的粒子都被撞了出来。
图17-2 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机周长26.66km，是世界上最大的粒子加速器
加速器可以是直线形的，也可以是环形的。在环形的加速器里，专门有磁场将粒子逼到环形轨道上去。随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识也逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。
质子和中子因为存在强相互作用才能结合成稳定的原子核，人们把150可以直接参与强相互作用的粒子称为“强子”。在加速器的作用下，人们竟找到了200 多种强子，如果再加上它们的反粒子，就有400 多种。这实在是太多了，人们不禁怀疑，自然界用得着这么多基本粒子吗？ 1964年，美国科学家盖尔曼提出强子不是基本粒子，而是由更基本的粒子——夸克组成的观点，并发展了相关的理论（注：夸克这一名字是盖尔曼起的，他从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》中找到一句话：“Three quarks for Muster Mark!”于是，“quark”这个与科学没有任何关系的词就成了现代科学中最时髦的一个词）。
夸克的思想是吸引人的，可一些物理学家最初并不愿意接受它，他们认为夸克“结构”只是一种数学技巧。但在实验面前，他们不得不承认盖尔曼是对的。质子和中子的高速碰撞实验表明，它们都是由更小的粒子构成的，这些粒子就是夸克。因为对夸克的研究，盖尔曼获得1969年的诺贝尔奖。
