中微子有質量。2015年諾貝爾物理學獎授予日本物理學家 Takaaki Kajita 與加拿大物理學家 Arthur B.Mcdonald，他們的工作——中微子振盪——證明了中微子有質量。這個現象是被他們發現的，但是理論上預言出來卻是在60年前的1957年，預言人是理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫。中國科學家王怡芳在2012年發現了新的振盪模式，他也因此獲得了2016年基礎物理突破獎（土豪獎，獎金遠超諾獎獎金）。

中微子最早是泡利預言的，為的是解釋β衰變的質量虧損。後來人們進一步發現，中微子屬於費米子，自旋為1/2(以前看有人提問說中微子是玻色子，這裡強調一下，中微子是費米子)。20世紀後半葉，粒子物理的標準模型建立。中微子與電子一道化為輕子，中微子只參與弱相互作用，不參與強作用與電磁作用。【標準模型只是強弱電的模型，不涉及引力，中微子肯定參與引力作用，但是目前還不清楚引力子如何衰變為中微子。】但是中微子的質量問題一直存在，標準模型設定中微子的質量為0（中微子的旋量特點就使得它應該存在左旋和右旋兩種不同的費米子，但是由於種種原因，標準模型假定右旋中微子不存在，這就導致費米子與希格斯粒子耦合項不存在，那麼對稱性自發破缺下中微子都不能帶質量，這明顯與實驗不符）。

中微子和電子都是成代出現的。電子有三代（第二代電子質量大約是第一代電子質量的200倍，第三代電子質量是質子質量的兩倍左右），中微子也有三代，而且是相伴隨於電子的。第一代電子叫e子，伴隨中微子為e子中微子；第二代電子叫μ子，伴隨中微子叫μ子中微子；第三代電子叫τ子，伴隨中微子叫τ子中微子。對於不同代的輕子，質量是不同的。質量的不同就導致不同中微子的質量本徵態不同。那麼，不同的本徵態混合會怎樣？這就是中微子振盪的物理出發點。我們知道中微子參與弱作用，可是弱作用會給出中微子另一類本徵態——作用本徵態。兩種本徵態之間互相可以表示。但是任意一種作用本徵態是三種質量本徵態的疊加。這就導致，一個由弱作用產生的中微子很有可能會在三種質量本徵態之間“振盪”！【這一部分是粒子物理的基礎理論，如果不感興趣就跳過，不影響理解後面的內容。】【這裡存在幾個物理概念：混合角、混合矩陣——PMNS(蓬泰克爾沃-真木-中川-坂田)矩陣。我就跳過了，說起來太複雜，而且不直觀。】【如果不是夸克存在禁閉，夸克也會有振盪，因為弱作用本徵態和夸克質量本徵態也是不同的。相應的混合矩陣是CKM（卡波比-小林-益川）矩陣。】

只要我們能檢測出中微子振盪，那就說明中微子有質量。但是中微子振盪不是那麼單純地只有一種，目前知道有三種。王怡芳正是因為發現了第三種振盪而獲得了土豪獎。

至於中微子質量到底是多少，目前沒有準確資料。【這就需要後來人想辦法測出來啊，這個搞不好就是諾獎級的工作，當然，我們還是可以考慮土豪獎的。】

最後一個問題，中微子是能穿透很多物質，但不是一切物質，這一點我強調一下。中微子因為不參與電磁相互作用，所以一般的凝聚態物質對它沒有什麼影響。它也不參與強相互作用，所以強核力不能捕捉它。可是引力它就沒轍了，如果中微子不小心跑到了強引力天體附近，那就很有可能會被捕捉。但目前不清楚引力子和中微子的散射理論，所以不知道捕捉過程是什麼樣的。有人說，它不參與弱核力嗎，難道弱核力不能捕捉它嗎？弱核力一般是引發中微子放射的，不是吸收中微子的，所以不行。

【補充一點，現在實驗發現，可能存在第四種中微子。我們前說過了，中微子只有三代，但每一代因為左右旋，所以可能有六種中微子。但是標準模型禁戒了右旋，所以有三種中微子可以被理論預測。但是由於標準模型還存在侷限性，所以有人提出了把右旋中微子考慮進研究範圍，他們認為存在右旋中微子，其質量大得可怕，且不能用對稱性自發破缺來解釋其質量的產生原因。這種中微子稱為“惰性中微子”。】

中微子是有質量的，不過十分微小。

這個是由2015年諾貝爾物理學獎獲得者日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納透過"中微子振盪”證明中微子是有質量的。

中微子個頭小、不帶電，可自由穿過地球，自旋為1/2，質量非常輕（有的小於電子的百萬分之一），以接近光速運動，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的“隱身人”

關於其為什麼會穿過其它物質，我個人認為無非有兩點。

一.中微子非常微小，而原子中間有巨大的空隙。

原子中的原子核核極小（它的直徑在10-15m~10-14m之間），體積只佔原子體積的幾千億分之一，極小的原子核裡卻集中了99.96%以上原子的質量。

而在原子核剩餘空間裡面，實際上是非常大的空曠空間，留給電子繞行。

也就是說，從原子角度看原子結構，原子不是實心的球體，而是一個有十分大空曠空間的小小系統。

這個情況就有點像太陽系。把原子比作太陽系，原子核是太陽，核外電子是八大行星。本來電子體積就非常小，而中微子比電子要小上百萬個級別。就像穿過太陽系大隕石，碰撞到行星們的機率也是非常小的。

這樣中微子可以輕易穿過原子裡面的巨大空隙，也就可以輕易穿過物體了。所以在微小的中微子眼裡，大多數物質都像是一望無際的大草原，可以隨意穿行。

二.中微子幾乎不與其它粒子發生反應

中微子，顧名思義“中性”“微小”的“粒子”。

由於其不帶電，又不易與其它基本粒子發生作用，所以在各種原子電子等粒子中自由穿梭。

中微子就好像唐僧一樣，不貪財色，哪怕一路妖魔鬼怪，也還是到達了目的地，取得真經。而其它粒子就像豬八戒一樣，一路上勾三搭四，很有可能就被套牢在哪個“溫柔鄉”，很難有始有終。

結合以上兩點，中微子可以在很多地方想去哪就去哪，非常之“任性”。

（以上圖片來自百度圖片，資料參考“百度百科”）

在宇宙中，中微子的數量比其他任何型別的粒子都要多，但幾乎沒有什麼可以阻止這位宇宙中輕量級選手的運動。

每秒鐘，會有數十億顆中微子穿過我們的身體。

由於不跟其他物質相互作用，它們讓科學家傷透了腦筋。中微子能夠重新整理我們對重要宇宙學問題的認識，包括暗物質的性質以及不斷膨脹的宇宙的未來命運。

一臺非同尋常的巨型機器即將啟動，開始研究中微子這種神秘莫測的粒子，以期揭開宇宙中深藏的奧秘。

2006年，Katrin的主光譜儀在運往德國城市卡爾斯魯厄的途中。該專案定於2018年6月啟動

在德國西南部卡爾斯魯厄市的郊區，工程師們在當地的理工學院裡，安放了一個比藍鯨還大的不鏽鋼裝置。它像極了一艘齊柏林飛艇（一種硬式飛艇），或是那種軟式飛艇。

這臺裝置是世界上最大的真空室之一，內部氣壓低於月球表面氣壓。它旨在解決一個複雜的難題：測出宇宙中最微不足道的物質——中微子——的質量。

每秒鐘，會有數十億顆中微子穿過我們的身體。太陽每分鐘都會向宇宙中發射出數萬億顆中微子。138億年前的宇宙大爆炸也遺留下了不計其數的中微子。

在宇宙中，中微子的數量比其他任何型別的粒子都要多，但幾乎沒有什麼可以阻止這位宇宙中輕量級選手的運動。

由於不跟其他物質相互作用，它們讓科學家傷透了腦筋。中微子能夠重新整理我們對重要宇宙學問題的認識，包括暗物質的性質以及不斷膨脹的宇宙的未來命運。

但很遺憾，這種不能承受之輕使它們格外神秘莫測。

開展卡爾斯魯厄氚中微子實驗（又名Katrin）的決定由此誕生。

該實驗旨在測定由氫同位素氚發射的電子和中微子的行為，揭示它們在穿過真空室時發生的輕微路徑變化。這些變化應能揭示有關中微子物理性質的精確細節，尤其是它的質量。

“在籌備Katrin的過程中，我們將技術運用到了極限。”該專案負責人吉多·德雷克西林（Guido Drexlin）說，“除了在其內部營造出近乎真空的環境之外，我們還必須保持裝置內氚的溫度，它是儀器內中微子的來源，將其維持在絕對零度以上30℃的水平。我們還要嚴格控制機器內部的磁場，實質上相當於給整個建築消磁。”

Katrin的規劃和建設用了十多年時間。

德國納稅人透過國家資助的亥姆霍茲聯合會，為這項實驗出資6000萬歐元，美國、俄羅斯、捷克和西班牙共同出資600萬歐元，它們也將參與一部分研究。

目前，Katrin已進入最後試驗階段，明年6月將全面投入執行，不過之後，科學家還要花五年時間收集資料，才有望掌握足夠多的資訊，以對中微子質量作出準確估測。

“即便到那個時候，我們可能還得啟動第二階段的實驗，才能找到所需的答案。”德雷克西林說，“畢竟，我們進入的是一個未知領域。”

1930年，諾貝爾物理學獎得主沃爾夫岡·保利（Wolfgang Pauli）首次假設了中微子的存在，用於解釋放射性衰變過程中其他亞原子粒子的行為。此後，又經過26年的搜尋，人們才首次探測到中微子。時至今日，其神秘莫測的特性依然令科學家頭疼不已。

加拿大薩德伯裡中微子天文臺提供了一個例子，以說明它們是多麼精微難測：若用一個1000噸的重水水箱捕捉中微子，雖然每秒有10萬億顆中微子穿過該水箱，但一天之中，能檢測到的大約只有30個。

中微子已知存在三種不同形式：電子中微子，μ子中微子和τ中微子。

很長一段時間內，科學家都認為，三者均沒有任何質量。這種幽靈般的粒子將曇花一現演繹到了極致。在詩歌《宇宙之膽》（Cosmic Gall）中，作家約翰·厄普代克（John Updike）就吟詠了這種怪異的情狀。

中微子，它們是那麼渺小

沒有電荷，也毫無質量

而且從不互打交道

地球就是個傻冒

被它們一掠而過就像撣塵的女僕穿過通風的樓道

然而，20世紀末、21世紀初，科學家發現有證據表明，詩中關於中微子的說法並不完全正確，它們還是有一定質量的。

日本的梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大的阿瑟·麥克唐納（Arthur McDonald）分別透過實驗，證明了上述結論。這些實驗表明，中微子在穿越太空時會轉換形式。比如，來自太陽的電子中微子在衝向地球的過程中，有一些會轉變成μ子中微子和τ子中微子。這個過程被稱為中微子振盪。

“這一發現至關重要。”德雷克西林表示，“宇宙學理論中有一個簡單的約束關係，即只有具有質量的物體才能在不同形式間振盪。無質量粒子不能發生此類變化。因此，這就產生了一個明確的推論：中微子必然存在質量。”

德雷克西林回憶起揭曉上述實驗結果的那場物理學會議。

“那就像一場搖滾音樂會。人們歡呼、手舞足蹈——這是不無理由的。我們意識到，我們看待宇宙的方式將從此改變。”因為揭示了中微子的巨大秘密，梶田隆章和麥克唐納獲得了2015年諾貝爾物理學獎。

深入Katrin內部

我們無法直接測量中微子的質量，但可以透過研究與之同時釋放的電子的能量分佈，來推導中微子的質量。

在Katrin的真空室內，電子在一個強大磁場的引導下，幾乎朝同一個方向流動。原理如下：

獵尋中微子的具體方式

氚原子核衰變為氦-3原子核，並釋放出一箇中微子和一個電子。

1、尾端：負責裝置的監測與校準

2、氚源：氚被置於一個名為“無窗式氚氣源”的裝置中

3、導引：管道周圍的超導磁體激發出磁場，其強度是地球磁場的7萬倍

4、光譜儀前端：進一步限制了可能被真空室殘留的氣體分子散射的電子數量

5、光譜儀內部：電子在巨大的真空室內接受分流。只有能量最高的電子才能穿越內部設定的電場，抵達探測器。這部分電子約佔總數的1000億分之一

6、探測器：物理學家對抵達探測器的電子進行計數，精確測出它們在高能端的光譜，從中推匯出中微子的質量。

如果中微子存在質量，這個質量究竟是多少呢？

這不是一個無關緊要的問題，正如劍橋大學卡文迪許實驗室的馬克·湯姆森（Mark Thompson）所言，準確的測量結果影響重大。

“中微子有質量，但非常輕，是其他任何已知亞原子粒子的十億分之一。但另一方面，中微子數量如此之眾，其總體質量可能非同小可，因此它們在宇宙中也能產生重要影響。我們迫切地想了解中微子的質量，以便弄清它們會如何影響宇宙的未來。”

例如，如果我們發現，中微子的質量比當前的估計值更大一些，那麼，它們的總體引力就會影響宇宙擴張，減慢它的速度。如果其質量低於當前預估，那麼，儘管它們在宇宙中無處不在，也不會對宇宙膨脹速度構成太大的影響。

對宇宙膨脹的影響並非科學家關注中微子質量的唯一原因。

“最耐人尋味的地方在於，它們的質量比其他任何粒子的質量都要小得多，是那些粒子的十億分之一。這說明，它們的質量肯定源於其他機制。”湯姆森補充說，“其他所有粒子都是透過附著到希格斯玻色子來獲得質量，但中微子採用的必是一條不同的途徑。所以，似乎還有其他的基本力涉及其中，這是一個等待挖掘的寶藏。”

正是由於這些原因，幾十年來，科學家一直想盡各種辦法，希望測得中微子的確切質量。

經過二戰後的第一次嘗試，科學界將中微子的質量上限設定在500電子伏特（ev）左右，相當於電子質量的1/500，而電子本身已經相當之小。（用能量單位描述物體質量也許有些奇怪，但所有亞原子粒子的質量都是以電子伏特衡量的。電子伏特也可以用作質量單位，因為根據愛因斯坦的方程式E=mc的平方，能量與質量是可以相互轉化的。）

在Katrin內部，超導磁體產生的磁場強度是地球磁場的七萬倍

後來，進一步的測量將中微子的質量上限大幅壓低，現在僅為2 電子伏特上下，約為質量最輕的原子的20億分之一。得出準確值的任務將落到Katrin的肩上。

這個專案將用到少量的氚。它是氫的一種同位素，原子核中帶有兩個中子和一個質子。（一般的氫原子核中沒有中子。）氚是核反應堆的產物，價格非常昂貴。“一克氚的成本約為1萬歐元，所以一定得格外小心，尤其是還要考慮到它的高放射性。”德雷克西林說。

而對Katrin至關重要的，正是氚的放射性特徵。氚會衰變成氦的一種同位素，即氦-3，其間會釋放出一個電子和一箇中微子。只要精確測量出氚源釋放的電子的能量（從而也知道了質量），就有可能推匯出隨其釋放的中微子的能量（以及質量）。

超導磁體將產生比地球磁場強大7萬倍的磁場，並將電子流匯入Katrin巨大的真空室，使它們飛向強大的電場。只有能量最高的電子才能穿越這個電場，並被計數。這些電子吸收了氚原子核衰變產生的幾乎全部能量，這種情況下，相應的中微子將不帶任何能量。每5萬億個由氚原子核衰變產生的電子中，大概會有一個電子符合上述特徵。

“這些電子將攜帶氚原子核衰變產生的所有動能。”德雷克西林說，“相應的中微子將不帶任何動能。這樣一來，我們就能計算出中微子的質量。再透過極為精確的測算，或許就能得出中微子的確切質量。

“至少要用五年時間，我們才有希望得出一個實實在在的數字，但這只是我們的願望，即便那時，也有可能毫無所獲。至於到時候該怎麼辦，我們已經有了很多想法。最終，我們肯定會測出中微子的質量。這將是一段奇妙的旅程。”

200噸重的巨型光譜儀在運送過程中，穿過德國小鎮萊奧波爾茨哈芬

現代版ODYSSEY：Katrin的漫漫回家路

Katrin的主要部件是長23米、寬10米的真空室。將其運到卡爾斯魯厄的旅程，堪稱現代工程學中最奇特的史詩級旅程之一。

該真空室在慕尼黑東北150公里處的代根多夫建成。它重達200噸，恍若齊柏林飛艇。但由於太過龐大，無法進行空運，也不能經由公路往西直接運抵400公里外的卡爾斯魯厄。因此，工程師們不得不選擇水路。他們先是沿多瑙河東行，駛入黑海，繼而經過地中海，越過比斯開灣和英吉利海峽，抵達荷蘭鹿特丹。最後順萊茵河而下，終於來到卡爾斯魯厄附近。全程8,800公里，耗時兩個月。

“這被稱為歐洲最大彎路，原因是顯而易見的。”德雷克西林說。

這趟旅程也並非一帆風順。2006年9月，裝載真空室的船起航後不久，在行經德國約翰施泰因時，因所載貨物太輕，導致船身露出水面部分過高，無法從一座橫跨多瑙河的橋下透過。“我們不得已買了1000噸石材，把船壓下去，才能從橋下透過。”德雷克西林回憶說。

10月27日，真空室抵達黑海。幾天後，在穿越馬爾馬拉海、前往地中海的途中，船隻遭遇風暴。“甲板上覆蓋真空室的防護罩被吹走了，不鏽鋼外殼暴露在外，增加了被海水腐蝕的風險。”德雷克西林說，“但我們決定繼續前行。”

最終，真空室抵達鹿特丹，駛入萊茵河，此時，又恰逢萊茵河水位處於幾十年來的最低水平。“我們幾乎是擦著河床前進的，跟河床只差了幾釐米。”德雷克西林說。

在卡爾斯魯厄郊外的萊奧波爾茨哈芬，他們使用世界上最強大的起重機之一，將真空室吊上陸地，置於一輛巨型拖車上。

“之前有人問我，會有多少人來看真空室就位。”德雷克西林說，“我說大概300人吧。結果，那天來了三萬人。鎮上所有食品在一小時內賣光，我們只好運來一萬根香腸，免得大家捱餓。”

這段旅途的最後一程也是驚心動魄。

“在有些地方，真空室和鎮上建築之間只差3釐米就碰到了。”德雷克西林說。這個龐然大物在鎮上左刮右蹭地前行，景象壯觀而又詭異，讓人感覺放佛置身於好萊塢的某部外星人入侵電影中。

終於，真空室抵達了它在卡爾斯魯厄理工學院的“家”。“到的時候，它已經很髒了。”德雷克西林說，“所以，我們做的第一件事就是清洗它。畢竟，我們是德華人。”

翻譯：雁行

原創思想，任何物質粒子均有質量，中微子是物質粒子，當然應該有質量，本人確信，最小的物質粒子是一個質量點俘獲並囚禁一個光子而形成，如果中微子是最小的物質粒子，那麼它就一定是質量點/光子對。但是，質量點/光子對只有兩種自旋方向，所以中微子只會有兩種。這與現在認為的有三種中微子不相符合。