毕业设计（论文）-中微子天体应用前景研究.docx

烟台大学毕业论文（设计）分类号 编号烟 台 大 学毕 业 论 文（设 计）中微子天体应用前景研究The application prospect of neutrino object research申请学位： 工学学士 院 系： 光电信息技术科学学院 专 业： 应用物理 姓 名： 学 号： 指导老师： 2016年 5 月 25 日烟台大学烟台大学毕业论文（设计）中微子天体的应用前景研究The application prospect of neutrino object research 申请学位：理学学士 院 系：光电信息技术科学学院 专 业：应用物理 姓 名： 学 号： 指导老师：2016年 5 月6日烟台大学中微子天体应用前景研究姓名：导师：2016年5月25日烟台大学烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：光电信息科学技术学院姓名学号201257501135毕业届别2016专业应用物理毕业论文（设计）题目 中微子天体应用前景研究指导教师学历博士职称副教授所学专业理论物理主要内容: 本论文主要讨论中微子天体物理的应用前景等相关内容，论文简单介绍了中微子的发现、特点和分类，以及中微子振荡的相关内容，主要讲述其天体应用。基本要求: 第一，着重培养学生动手实践、解决问题及独立分析的能力；第二，专业相关的外文的阅读和翻译能力；第三，使用网上资源寻找答案并解决问题的的能力；第四，团队合作解决问题的能力；第五，撰写论文的能力以及答辩时的口头表达能力。主要参考资料: 中微子质量及中微子振荡实验 何景堂进度安排：1-6周： 查找、阅读、翻译文献。 6-7周：动手设计硬件并调试 7-8周： 撰写论文大纲。 8-10周：撰写论文。10-11周：论文修改完善。 11-13周：定稿，打印论文，准备答辩。指导教师（签字）： 年 月 日院（系）意见： 教学院长（主任）（签字）： 年 月 日备注：【摘要】中微子是一种在自然界中广泛存在的质量非常小的电中性粒子，以接近光的速度运动，具有极其特殊的性质。2012年，中国大亚湾实验研究所宣布发现了第三种中微子振荡，至此中微子振荡全部得以证实，证明了中微子具有质量，从而可以解释衰变之谜和太阳中微子短缺问题。中微子是当前例粒子物理、天体物理学以及宇宙学的交叉前沿学科，且本身有大量谜团未解开。作为宇宙的重要组成部分，它是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子，因此，对恒星发射的中微子进行探测，可以获得有关恒星内部的信息，进而探索宇宙未知空间。本论文主要讨论中微子天体物理的应用前景等相关内容，论文简单介绍了中微子的发现、性质和中微子振荡的相关内容，以及中微子在天体方面的应用，对中微子未来发展前景作出展望。【关键词】中微子、中微子震荡、天体物理；应用前景【Abstract】Neutrinos are widely exists in the nature of the very small quality electrically neutral particles, at nearly the speed of light sport, have special properties. Announced in 2012, the Chinese institute of Da YaWan bay, discovered a third type of neutrino oscillation, thus neutrino oscillation all confirmed, proved that the neutrino has quality, which can explain the mystery of beta decay and shortage of solar neutrinos. Neutrinos are the current cases of particle physics, astrophysics and cosmology cross frontier subjects, and itself has a lot of mystery unsolved. As an important part of the universe, it is the only kind of dark matter particles found in the lab, as a result, the launch of the neutrino detection of stars, can obtain information about stars inside, and then to explore the universe to unknown space. This thesis mainly discuss the application prospect of neutrino astrophysics related content, the paper simply introduces the discovery of neutrinos, nature and the related content of neutrino oscillation, and neutrinos【Key word】Neutrinos、Neutrino oscillation、astrophysics、application prospect目录第一章绪论4第二章 中微子概述52.1 中微子的发现52.2 中微子的性质82.3 中微子的分类92.3.1 电子中微子92.3.2 子中微子102.3.3 子中微子102.4 中微子的质量10第三章 中微子振荡123.1 什么是中微子振荡123.2 中微子振荡的研究历程123.3 研究理论16第四章 中微子天体的应用184.1 中微子天文学184.2 中微子实验18第五章 中微子研究的困难及展望20致谢22参考文献23第一章 绪论自1929年提出以来,泡利不相容问题是否中微子是巨大的一直是一个有趣的问题。标准模型(SM)包含只在左撇子对比无质量的中微子。但是没有基本原则与规范不变性使光子质量,禁止大量的中微子。大多数扩展SM预测中微子质量小但非零。中微子质量非零不仅会构成一个的超出标准模型物理信号,它也将有助于探索底层评估对称管理的交互。此外,由于中微子在恒星演化中发挥的重要作用,超新星动力学、核合成和结构形成早期宇宙中巨大的中微子的影响可能非常重要的天体物理学和宇宙学。自中微子被发现以来，各国科学家都在致力于它的研究。2015年，中微子振荡问鼎诺贝尔物理学奖，再次将中微子推向了热议的高潮，中微子渐渐被大家熟知。那么，什么是中微子？研究中微子的意义在哪呢？就中微子本身而言，作为组成自然界最基本的粒子之一，研究它的意义，宏观世界来说，是研究宇宙的起源与演化问题，中微子的研究成果对揭示宇宙起源和对物理学未来发展方向具有重大意义。微观来说，是对物质结构组成的研究。且中微子堪称诺贝尔奖富矿，目前为止，已获得六次诺贝尔物理奖。但关于中微子，依旧有许多谜团未解开，比如，中微子的质量还无法具体测量，中微子振荡还有未测到的参数等等。本文将围绕中微子展开一系列的探究，从中微子的基本性质着手，对其特性、分类及应用等进行分析了解，揭开中微子的神秘面纱。第二章 中微子概述2.1 中微子的发现中微子是一种极其神秘的基本粒子，它是20世纪30年代泡利为了解决当时原子核物理研究中的一个疑难衰变的连续电子能谱而“发明”的。当时，对阿尔法、伽马、贝塔三种射线的研究成果表示：在量子的理论中，能量的吸收和发射不是连续的，原子的光谱和伽马射线、阿尔法射线的释放都是不连续的，这些情形是符合原子的能量守恒定律，阿尔法射线和伽马射线的能谱是分立的，射线的能谱是连续的，要想遵循能量守恒定律，必须将电子能量的最大值和原子核的末态能量相加，但是这一实际情况违背了与原子核处于分离的量子状态的事实，也就是我们之后所知道的衰变之迷。有两种可以选择的实验事实与理论可以用来解释衰变之谜：一种选择是认可衰变是二体衰变，并且假设衰变过程打乱了动量和能量的守恒定律，即不承认在衰变过程中的能量和动量的守恒定律；另一种选择是假设衰变并不是二体衰变，承认能量和动量守恒定律是正确的，并且在衰变的末态中还出现了一种我们无法在实验中检测到的第三个粒子。当年，玻尔对第一种观点深信不疑，提出了一种可以解释衰变的理论，但是由于它与自然界最普遍的客观事物的规律即所谓的能量转化和守恒定律相违背，所以在当时人们对他的观点难以认同。然而，在泡利坚持不懈的刻苦研究下，一个全新的理论诞生：衰变并不是所谓的二体衰变，而是三体衰变，并且在一次衰变中动量和能量都将遵循守恒定律，在衰变过程中除了放出电子外，还放出一种不带电、质量基本为零的粒子。1这种电中性的粒子不同于光子，它在被放射出去的时候会带走部分能量从而导致能量出现亏损，这种新粒子也就是中微子。第二年泡利又做出深入地论证指出，中微子产生于衰变过程。1934年费米创建的衰变理论指出：在衰变过程中，通过粒子间的弱相互作用，中子转化为一个质子、一个电子和一个电子反中微子。在原子核内粒子和中微子不单独存在，而是由核子通过作用在各能级态发生跃迁时产生，这就是所谓的中微子思想。其反应方程为： （1.1）衰变理论确立了中微子存在的理论基础，从此中微子的大门向世界敞开，科学家们由此着手大量实验研究，目的是为了验证中微子存在的假说，令人欣慰的是，探测实验结果表明中微子的存在假说是正确的。尽管如此，衰变过程中衰变末态的有3种不同的粒子产生，所以实际得到的原子核的反冲能量相比单值更为复杂，因此在实际的操作研究中科学家发现会比较难以操作。20世纪40年代初，我国的著名物理学家王淦昌先生提出了一种更易于操作的探测中微子存在的方法-K电子俘获法，K电子俘获法使中微子的探测精确率大幅提高。在更多的物理学家采用此方法进行测量后，都得出了中微子存在的间接证据，这使得中微子的存在更加让人信服。此后，物理学家便展开捕获中微子的实验。1956年，美国物理学家科恩(C.Cowan)和赖因斯(F.Reines)在佐治亚州Savannah河工厂，在核反应堆中通过核反应： （1.2）首次捕获到反中微子。直到三十九年后，赖因斯才荣获诺贝尔奖，而科恩已永远离开了我们，但他作出的贡献永世留存。1968年，美国中微子天文学家戴维斯(Davis)在南科他州的Homestake金矿捕获了太阳中微子。来自世界各地的科学家们所进行的这些实验都用确凿的实验结果事实证实了中微子作为一种基本粒子，在自然界中客观存在。与其他基本粒子一样，中微子也促使物理学家们全面地对中微子展开深入的探索与研究。自中微子假说提出以来，来自世界各地的物理科学家们为了捕获中微子进行了大量的实验，而这些实验历时这么久依旧用确凿的事实，证明了中微子的存在假说。在弱电统一理论中和费米的弱相互作用理论中，都是把中微子作为静止质量为零进行处理的。科学家们在计算分析各种不同的物理过程时都以此作为论据，从而得到的结果，都与实验结果非常相符。然而在另一方面，假如中微子是有质量的，那么就可以非常自然地解释某些令科学家难以解释的现象，例如太阳中微子的丢失问题以及宇宙中热暗物质的问题以及其他一些难以解释的难以让人理解的问题。正是因为这样的假想，很大一部分理论就试图给中微子赋予一定的质量其解释现象与研究，与此同时物理学家们也在对中微子的质量进行反复的实验探究与测量。在科学技术不断进步的情况下，虽然，探测实验研究测量得到的中微子的质量的上限值在不断的变化，呈下降的趋势，但是目前种种的探测实验还一直没有精确的确定中微子的质量到底是多少，仍然是众多科学家的一起奋斗的众多的目标之一。图（1）和图（2）为中微子的图片，其中左图为最早发现的中微子的图片。 图1：最早发现的中微子 图2：现在发现的中微子另外，早在1958年,有科学家已经指出，倘若中微子具有非零质量，那么中微子在不同“味”之间大概会发生一定的相互转化作用，也就是后来所谓的产生中微子的振荡现象。从量子力学的角度，加上中微子的振荡现象以及科学家们推断研究，我们可以知道在某一探测点发生相互转化作用时，一种中微子转化为另一种中微子的振荡几率与中微子束的平均能量，中微子探测器之间的距离，相互转化的两种中微子的质量的平方差以及它们的混合角等等因素息息相关。1自从泡利提出假说后，时隔26年，科学家才证实中微子的存在。这足以说明寻找中微子是多么的艰难。图3：衰变内部结构中微子被证明存在后，研究者们继续对中微子的深入研究。后又发现了中微子和中微子；20世纪60年代，戴维斯发现太阳中微子失踪， 80年代，日本超级神岗实验发现中微子振荡现象，即中微子存在三种“味”之间的转换现象，中微子振荡被证实。2012年，中国大亚湾实验室负责人王贻芳向世界宣布称发现第三种中微子振荡。2.2 中微子的性质中微子又叫作微中子,如质子,电子相同，在本质上是一个最基本的粒子组成,常用符号表示。中微子为电中性,自旋为1/2,质量非常轻,以接近光速运动。 中微子很小,不带电,各种粒子之间的弱相互作用可以产生中微子,所以它可以自由通过普通物质而不发生反应,所谓的宇宙的“隐形人”。中微子只在非常微弱的弱相互作用发挥作用，很少与物质发生相互作用，可以非常轻松地穿过物质密集的区域，具有超强的穿透力。从地球的一端穿越到另一端，只有一百亿分之一的概率会与物质发生反应， 所以中微子的检测相当困难。事实上，许多粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核裂变、核聚变、贝塔衰变、超新星爆发等等。中微子广泛地散布在宇宙空间中，大多数是宇宙大爆炸的遗留，大概为每立方厘米100个。除了这些基本性质之外，中微子还有一个奇特的性质-中微子振荡，即在飞行过程中，中微子可以由一种类型转化为另一种类型。详细内容在第三章讨论。图4：中微子结构图及反中微子结构图2.3 中微子的分类 20世纪70年代中期，粒子物理学的标准模型问世，按照该模型，宇宙中的一切物质都由12种基本粒子组成，其中包括三种中微子：电子中微子、子中微子及子中微子2.3.1 电子中微子 电子中微子属于第一代轻子，总伴随着电子，所以被称为电子中微子。电子与原子相互作用，会释放出能照亮球形区域的能量2.3.2 子中微子中微子总伴随着子形成第二代轻子，于1962年被发现。2.3.3 子中微子子中微子是标准模型中的第三个也是最后一个中微子，于1982年被美国费米实验室验证假设，但无法找到直接证据。1997年，被“子中微子直接观测器”探测到了它的存在。2.4 中微子的质量 科学家们在得知中微子被证实存在后，便对中微子的质量展开了深入的研究。在此当中，中微子的静止质量是否为零吸引了科学家的眼球。理由大概分为三个：首先是以粒子标准模型作为准则，那么中微子静止质量为零，如果不是零，那么将会有一种新物理模型取代现有模型；然后是假如中微子的静止质量不为零，它将产生振荡，这便可以解释太阳中微子的丢失之谜；最后是如果三种类型的中微子静止质量之和为几电子伏，即可解释宇宙中的热暗物质问题。总而言之，探测中微子质量是否为零是具有极其重要的科学价值的。1930年泡利提出中微子假说时，中微子是否有质量也还是未知数，他只是猜测即便中微子质量非零也是很小的，因为电子的最大能量接近于衰变时放出的总能量，则衰变时丢失的能量就是中微子的静止质量，只能是非常小的。20世纪90年代，LEP和 SLC 通过Z0衰变宽度的测量，证明中微子只有三代（见公式以及图5） (2.1)图5：中微子只有三代的证明从中微子振荡的基本理论可以得知，中微子的振荡几率与其中微子运动的距离有着很大的关系。我们大家都知道在一年中不同季节里，太阳与地球之间距离是不同的，因此中微子发生振荡的几率也会有很大的差异。由于这个原因物理学家由此推断，通过实验我们探测到的中微子的通量在不同的季节应该会有一些我们所没有注意到的轻微的变化。因为这一方案考虑的在真空中传播时中微子发生振荡，因而我们又称次机制为真空振荡机制。物理学家们曾经提出过有关中微子振荡的另外一种可能的机制。中微子的振荡效应会以为中微子在物质内部运动时相互作用而被放大。我们称这一机制称为MSW机制（MSW机制的名称是由提出这一机制的三位科学家的首字母组成)。在白天和黑夜太阳中微子到达地球上的探测器时穿过的物质区域不同，MSW机制所产生的效应就会有一定的差别。因此，MSW机制就预言，实际我们探测到的太阳中微子的通量在白天和黑夜应该会有起伏的现象，也就是说具有昼夜起伏的现象。上面我们提到的中微子振荡的真空振荡机制与MSW机制是否符合客观事实，是需要用大量的实验结果来检验与纠正的，这还需要物理学家做的工作有很多。 20世纪90年代末，超级神冈探测器展开的大气中微子实验和太阳中微子实验都凭借实验数据明确地证明了中微子存在振荡现象。太阳中微子振荡的证据同时对中微子振荡的真空振荡机制和MSW机制作出了判决。在两年多的日夜实验中，电子中微子事件中并没有任何一例中微子事件显示电子中微子通量是会随着昼夜而发生变化的。该结果与中微子震荡的MSW机制不符。另一方面，电子中微子事件的确表明中微子会因为外界的变化而产生变化，也就是之前提到的电子中微子的通量会随着季节的周期性变化有轻微的不同。这一令人震惊的的实验现象强力地表明了科学家在太阳中微子和大气中微子中得到了中微子。就像之前我们说到的在弱电统一理论-费米弱作用理论中，科学家们在处理实验数据时都是视中微子静止质量为零，并由此来计算各种不同的实验过程和物理过程，事实结果表明，都毫无意外地非常符合实际实验现象。除此之外，根据螺旋性来考虑，中微子也应该具有零质量。就好像我们的左右手一样，互相对称，当费米子自旋为半整数时一般都是具有两个手征态的即左手态和右手态，但是实验表明中微子只存在一个左手态；反中微子只存在一个右手态，且与我们实验观测到的现象相符。所以说：理论而言，单一螺旋性可以证明中微子的质量为零。 然而，大量的标准模型尝试给予中微子质量。经过分析以往的实验数据我们可以得知，理论上，中微子拥有两种质量形式：一种是狄拉克形式的质量，一种是具有Majorona形式的质量。无论何种中微子，既可以具有其中一种形式的质量，也可以同时具有这两种质量形式。假设我们假定中微子同时具有左手态和右手态两种手征态，舍弃了中微子只有一种手征态的实验依据，我们就可以把这两种类型的手征态组合在一起从而得到中微子的质量项，通过这种方式我们得到的质量称为中微子的狄拉克(Dirac)质量；如果撇开轻子数守恒，我们只用中微子其中一种手征态并且以双线性的形式来构造质量项的话，我们这样得到的质量则称为中微子的Majorona质量。这两种质量形式的中微子理论的相同的是，它们都认为通常的我们所谓的中微子都是由几种未知的并且带有质量的中微子所组成的混合态。1第三章 中微子振荡太阳中微子实验和大气中微子实验都已被证实，大亚湾实验研究所也发现了第三种中微子振荡，从而证实了中微子具有非零的静止质量。这一结果打破了原有的物理标准模型，向世界展示了一个崭新的面貌，在天体的起源与演化方面具有非同凡响的意义。所以，在当今科学大时代的环境下，我们应该对微粒子投入更多的关注和研究。3.1 什么是中微子振荡我们所谓的振荡现象，是一种存在于自然界中的非常普遍的现象，中微子振荡是一个量子力学现象。根据理论判断，中微子会随着周围环境或由自身触发在其 3 种类型间不 断转化，这就被称为“中微子震荡”7。中微子振荡的观点最早由理论物理学家布鲁诺庞蒂科夫（）于1957年提出3.2 中微子振荡的研究历程 通过探测太阳中微子，我们可以获得更多太阳内部结构的内容。一般来说，通过大量实验分析探测中微子，能使人们更加深入细致的了解中微子，也能了解天体内部相关信息。20世纪50年代，核物理学家的一个实验结果让科学家能更加容易地探测太阳中微子。这项实验测量出核反应3He+4He7Be+ （3.1） 得到的 7Be 产生截面比预期的高出1000 倍之多，按照贝特的理论思想, 太阳内部核聚变如果产生 7Be, 就可能发生7Be+p8B+ （3.2）的过程,而 8B 的 衰变给出的中微子能最高达 14Mev, 比戴维斯所用的氯的反应阈值 0.86Mev高出很多，这就使的 ClAr 法又能在对太阳中微子的探测和研究上大显身手。3 1964年, Davis提出新的实验理论：当中微子与液体中的 37Cl 发生碰撞释放出电子时就会转变为 37Ar，只要探测到 37Ar 的存在，就能证实中微子的存在。基于该理论他建造了一个大型探测器,把它放在南达科他州的地下矿井中。论证的新的太阳中微子实验方案:将 ClAr 法的规模扩大了 100 倍，庞大的容器盛有 105gal( 约合 3.8105L) C2Cl4( 一种常用的干洗剂)，利用反应：e+ 37Cl 37Ar*+ e-让太阳照射39万L的四氯化碳后,使用化学方法对 37Ar*进行提纯,然后测量 37Ar*的放射性,通过这种方法就可以得到中微子的相关参数。实验中关键的操作是大约每两个月一次 ( 约为 37Ar 半衰期的 2 倍) , 用He将Ar提取出来。理论上定义一个太阳中微子单位:1SUN(Solar Neutrino Unit)= 1事例/(秒1036靶原子)Davis等人的探测装置可以探测到的太阳中微子通量为:I(7.9 2.6)SUN但实际测量结果是:I = (2.1 0.3)SUNError! Reference source not found.对比两组数据可以发现一个大问题：测量到的中微子通量有2/3消失了，即“太阳中微子失踪之谜”。图6：戴维斯研究来自太阳的中微子由前文知道目前中微子共有三种类型: 电子态中微子 e, 子态中微子 ,以及 子态中微子 。所谓中微子震荡，就是中微子会随着周围环境或由自身触发在这 3 种类型不断转化。太阳放出的电子中微子有可能在到达地球的途中有一部分转变成别种味道态的中微子( 如 ) , 无法被探测到。20世纪70年代初, 戴维斯开始新的实验，一直持续到大约1994年，历时五分之一个世纪。在此期间，容器中的 37Ar的产生率为每天（ 0.480.03 ）个，相当于（ 2.560.16）SNU。最终的实验结果发表于1998年，但检测到的中微子流量少于预测值，与之前的结论并无什么实质区别。20世纪末，日本的梶田隆章（图8）等科学家宣布发现中微子振荡的证据，即中微子发生了不用类型之间的转换现象，恰恰证明了中微子具有非零的静止质量。1982年，日本科学家小柴昌俊建造了神冈探测器，一开始，小柴昌俊只想用来观测质子衰变，但也可以用来探测中微子。在日本神冈核子实验用一个盛有 2140 吨的水的容器作为探测装置, 安放在神冈的一个地下 1000 米 处的矿井中。用大约 1000 只光电倍增管组成的探测器装置,测量衰变粒子在水中发出的切连科夫光。实验没有见到质子衰变的证据，测定了各特定衰变道的质子寿命下限。最初目的没达到, 小柴昌俊便开始着手研究中微子。小柴昌俊作出一系列努力改进之前的实验装置，改进后的功能强大的神冈中微子探测器被称为Kamiokand 。和戴维斯实验相比，Kamiokand 只能探测8B衰变的中微子，而戴维斯实验也对低能的太阳中微子灵敏探测。而Kamiokand 长处是实时运行，并能确定入射中微子的方向。正是 Kamiokand 所记录的切连科夫光发生的时间及太阳方向角上出现的明显峰值, 首次给出了太阳发射中微子的确凿证据, 同时也确认ClAr 实验所得的中微子通量低于太阳模型计算值的结果。实验观察到的与理论计算出的结果对比进一步支持了中微子震荡的可能性。5图7：中微子振荡2006 年，CERN向萨索实验室发射子中微子束。物理学家预言，当这些中微子到达格兰-萨索实验室时，其中一些子将转变为子，格兰-萨索实验室的中微子监测仪届时就会收集到有关的数据， 从而确定子是否真的转变成了子。经过该实验室人员三年多的监测，他们终于观测到了子中微子变成了子中微子。Error! Reference source not found.对此，物理学家们表示，自提出“中微子振荡”概念以来，这是他们首次与中微子振荡“亲密接触”，对以后的科学研究是非常有价值的。对解释“太阳中微子失踪之谜”意义非凡。按照一直以来被大家所认同的标准模型，中微子没有质量，便不会存在中微子振荡现象。然而近几年世界各国科学家们进行的实验，都测量到太阳中微子丢失， 能够说明问题的就是中微子质量不为零。图8：日本科学家梶田隆章“探测到中微子的变身非常令人激动， 它推翻了原有的粒子物理学标准模型。另外，宇宙学的实验研究表明 ，百分之九十以上的宇宙质量由暗物质组成。由于中微子充满整个宇宙， 有质量的中微子是宇宙暗物质的候选者之一， 对宇宙演化理论研究亦具有重要意义”。CERN 发言人詹姆斯吉列斯如是说。大气中微子振荡和太阳中微子振荡分别对应电子中微子和中微子之间的变换、电子中微子和中微子之间的变换；根据中微子振荡理论，还应该存在第三种振荡模式，即中微子和中微子之间的变换。2012年，中国大亚湾实验研究所发现第三种中微子振荡，中微子振荡模式全被证实。对于该成就，赵光达院士评价道：“大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。它不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，也决定了我们是否能够进行下一代中微子实验，以了解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中反物质消失之谜。” 图9：第三种中微子振荡3.3 研究理论中微子自身不带电，质量非常轻，占据基本粒子的百分之二十五，是微观与宏观世界不可缺少的存在。中微子有一个特性，可以在不同“味”之间进行转换，即中微子振荡，理论而言，应该共有3种振荡模式。中微子的前两种振荡模式已被实验证实。 2012年，中国大亚湾实验研究所宣布发现第三种中微子振荡。根据中微子振荡的基本理论可以知道，中微子的振荡几率与其中微子运动的距离有着很大的关系。我们大家都知道在一年中不同季节里，太阳与地球之间距离是不同的，因此中微子发生振荡的几率也会有很大的差异。由于这个原因物理学家由此推断，通过实验我们探测到的中微子的通量在不同的季节应该会有一些我们所没有注意到的轻微的变化。因为这一方案考虑的在真空中传播时中微子发生振荡，因而我们又称次机制为真空振荡机制。物理学家们曾经提出过有关中微子振荡的另外一种可能的机制。中微子的振荡效应会以为中微子在物质内部运动时相互作用而被放大。我们称这一机制称为MSW机制（MSW机制的名称是由提出这一机制的三位科学家的首字母组成)。在白天和黑夜太阳中微子到达地球上的探测器时穿过的物质区域不同，MSW机制所产生的效应就会有一定的差别。因此，MSW机制就预言，实际我们探测到的太阳中微子的通量在白天和黑夜应该会有起伏的现象，也就是说具有昼夜起伏的现象。上面我们提到的中微子振荡的真空振荡机制与MSW机制是否符合客观事实，是需要用一系列的实验结果来检验与纠正的，这还需要物理学家作出更多的努力。在20世纪80年代早期，科学家首次探测中微子的速度，当时科学家透过从脉冲质子束射击而产生的脉冲介子束来测量中微子的速度。当带电的介子衰变，就会产生子及中微子或电子中微子。透过长基线的设计，由远方的加速器以此种方式产生中微子，经过地壳的作用削减背景事例，来进行中微子震荡的研究。透过检测加速器产生粒子，与中微子出现在侦测器的时间差，就可测量出中微子的速度。结果显示中微子的速度是光速与假设相符。后来当这个实验在其他地方重复时，测量中微子的方法改用了MINOS侦测器，测出了一颗能量为3GeV的中微子的速度达1.000051(29) c。物理学家认为，该速度中间值超过光速，实验的真实性和确定性值得怀疑，理论而言，中微子速度不会比光速快由。4除了地球上的实验观测，其他领域也有所发现。当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。令人惊奇的是：这些中微子是在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。对于这个现象，当时科学家把它解说为因为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快”，而这个速度亦与光速接近。然而，标准模型扩展是否适用于中微子依旧需要进一步的探讨，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡，其速度也许会超过光速。第四章 中微子天体的应用4.1 中微子天文学中微子天文学研究方向是天体发射中微子的过程与中微子在宇宙空间的性质的学科，是天体物理学的一个分支，恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的影响是其主要研究方向。我们已经知道，中微子是一种静止质量基本为零的电中性粒子。一般情况下，中微子很难与其他物质发生相互作用，因而在恒星内部产生的中微子能够毫无阻碍地逸出恒星表面，这样一来，科学家们通过探测恒星发射的中微子，就可以获得有关恒星内部的信息。中微子振荡现象的发现是物理学发展史上的一个里程碑,它直接证实了中微子有质量，打破了很久以来的标准物理模型，进而说明标准模型并不完美;与此同时,中微子更有可能是人类目前探测到的唯一的暗物质。4.2 中微子实验据数据所得，太阳每秒放出的总辐射能为3.8610尔格。共有两个产能过程，一个是质子与质子的反应，该过程产生大量的能量；另一个是碳循环过程，只产生一小部分能量。其中诸多反应都可以产生中微子。恒星演化过程中，中微子所起的作用是不断增大的，尤其是在演化后期，中微子的作用尤为重要，这时，产生中微子的过程主要有以下几种首先是尤卡过程，从总体结果来看，是连续的将电子动能转变成中微子对。在天体环境中该过程主要在密度较低且温度较高的范围内发挥作用。但是和其他几种中微子损耗(电子对湮没中微子过程光生中微子过程和等离子体激元衰变中微子过程)相比较它的能量损耗率低得多。这是因为在尤卡过程中中微子带走的能量是来源于电子的热运动动能。在几十亿度以下的星体温度范围内这个能量损耗机制不会有显著的作用。尤卡过程也可以在原子核的激发态间进行这叫作光过程。然后是中微子轫致辐射，电子与原子核(ZA)碰撞可以发射中微子对。第三种是光生中微子过程。这是一种电子吸收光子的电磁作用和由中介玻色子传递的弱作用组合起来的过程，光子与电子碰撞，可以发射中微子对。接着是电子对湮没中微子过程。正负电子对湮没为中微子对。第五种是等离子体激元衰变中微子过程。等离子体中各种形式的波的量子叫作等离子体激元(可看作准粒子)等离子体激元衰变为一对正反中微子的过程。弱电统一理论提出后，又出现了许多新的中微子过程。在恒星演化的后期阶段，中微子成为中流砥柱中微子发射带走大部分能量，从而使得恒星演化进程大大缩短，为超新星爆发作出了不可轻视的贡献。在一个高度演化的恒星内部，通过逐级热核反应，一直进行到合成铁，进一步的引力坍缩，将使恒星核心部分产生强烈的中子化，而放射出大量中微子。中性流弱作用的相干性进而导致铁原子核对中微子有较大的散射截面。所以，超强的中微子束会对富含铁原子核的外壳产生足够大的压力，将外壳吹散而形成猛烈的超新星爆发。被吹散的外壳形成星云状的超新星遗迹，中子化的核心留下来形成中子星。7第五章 中微子研究的困难及展望太阳中微子短缺问题是20世纪70年代被发现的，中微子的实际测量值只有预测值的三分之一,这个问题的产生引起了对太阳能量来源于热核反应的怀疑,80年代中微子振荡现象的发现,使得人类对这一问题有所解释,虽然中微子三种振荡模式已被全部证实，证明中微子有质量 ,但中微子质量目前来说还是未知数，所以太阳中微子短缺问题还没有彻底解决。有没有超光速的物质存在?近年来在天文观测中发现了超光速现象,对这一现象的解释有不同的观点。有人认为爱因斯坦在相对论中已经指出超光速是不可能的,观测中的超光速实际上是一种视光速。另有人认为在现在资料中并未发现爱因斯坦直接指出过“没有超光速的物质存在”的表述,既然在天文观测中发现超光速现象,可能说明超光速的物质是存在的8，而中微子极有可能是该问题的突破口。对这一问题的争论,还没得出最后结果。从三大发现到现在已经有100多年，在这个时间段内人们对自然有了更深的了解和认识，科技也得到了高速的发展。但是人们对客观世界的认识依然存在很多疑惑，中微子可能就是解开该迷惑的途径之一。 中微子（Neutrino）是新兴科学的一个分支，中微子的变化规律、运动以及诸多性质已经被人们渐渐地认识了解了，但是还没有解开的谜团仍然有很多。中微子（Neutrino）的质量问题究竟是怎样的情况？太阳中微子失踪了，其失踪是什么原因？右旋的中微子与左旋的反中微子是不是存在着？磁矩在中微子中是否也存在着？重中微子是不是存在着？周期性变化在太阳Neutrino的强度中是否会出现？怎样探测宇宙背景Neutrino？Neutrino在暗物质中占什么地位，中微子星存在吗，有怎样的联系会存在于恒星内部、超新星爆发过程、极远处和极早期宇宙之间？研究中微子的意义不仅仅在于天体物理学，更在于它对实际生活产生的作用。人类之所以不断的探究客观世界就是为了更好的改造世界并且将其成果充分利用来不断造福人类，本世纪中微子（Neutrino）本身也有可能得到应用。目前中微子的相关问题成为科学家们探讨研究的热门课题，通过探究中微子，自然界中的诸多谜题都可以解开，对未来物理学发展意义深远。当然，本文只是阐述了中微子问题的冰山一角，还有许多问题需要科学家们进行深入的研究。当今中微子相关问题的