簡介
中微子共有三種類型，即電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，在目前已知的構成物質世界的12種基本粒子中，占了四分之一，在微觀的粒子物理和巨觀的宇宙起源及演化中同時扮演著極為重要的角色。太陽的核聚變、超新星的爆發、宇宙射線與地球大氣層的碰撞、核反應堆中放射性衰變元素的裂變，以至於地球上岩石等各種物質的衰變，都能產生中微子。
中微子是一種極難被探測到的基本粒子，在微觀的粒子物理和巨觀的宇宙起源及演化中都極為重要。中微子共有三種類型，它可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，稱為中微子振盪。
1998年，日本的超級神岡實驗（SuperKamiokande）以確鑿的證據發現中微子存在振盪現象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反常現象得到了合理的解釋。中微子發生振盪的前提條件就是質量不為零和中微子之間存在混合。2001年，加拿大的太陽中微子流測量實驗（SNO）實驗通過巧妙的設計，證實丟失的太陽中微子變成了其它種類的中微子，而三種中微子的總數並沒有減少。同樣的結果在KamLAND（反應堆）、K2K（加速器）這類人造中微子源的實驗中也被證實。Super-K實驗與Homestake太陽中微子實驗於2002年獲得了諾貝爾獎。
發展歷史
1930年，奧地利物理學家泡利提出存在中微子的假設。1956年，柯溫（C.L.Cowan）和弗雷德里克·萊因斯利用核反應堆產物的β衰變產生反中微子，觀測到了中微子誘發的反應：
反電子中微子+質子-----中子+正電子,這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據。
中微子振盪的概念與中性K子系統中的振盪相似，最早由理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫於1957年提出。
1962年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家利昂·M·萊德曼等人發現了中微子有“味”的屬性，證實了μ子中微子和電子中微子是不同的中微子。他們也因此獲得1988年的諾貝爾物理學獎。2000年7月21日，美國費米國家實驗室宣布發現了τ子中微子存在的證據。
1968年，美國物理學家雷蒙德·戴維斯等人在美國南達科他州的Homestake地下金礦中建造了一個大型中微子探測器，探測發現，來自太陽的中微子比理論預言減少了1/3，這就是太陽中微子問題。1998年6月5日，日本超級神岡探測器的科學家們宣布找到了中微子振盪的證據，即中微子在不同“味”之間發生了轉換（電子中微子和μ子中微子間變換），這現象只在中微子的靜止質量不為零時才會發生。然而這個實驗只能測出不同“味”的中微子質量之差，尚不能測得其絕對質量。
1982年，日本科學家小柴昌俊在一個深達1000米的廢棄砷礦中領導建造了神岡探測器，最初目標是探測質子衰變，也可以利用中微子在水中產生的切連科夫輻射來探測中微子。1987年2月，在銀河系的鄰近星系大麥哲倫雲中發生了超新星1987A的爆發。日本的神岡探測器和美國的Homestake探測器幾乎同時接收到了來自超新星1987A的19箇中微子，這是人類首次探測到來自太陽系以外的中微子，在中微子天文學的歷史上具有劃時代的意義。
20世紀90年代，神岡探測器經過改造，名為超級神岡探測器，容量擴大了十倍。
1998年，日本的超級神岡實驗（SuperKamiokande）以確鑿的證據發現中微子存在振盪現象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反常現象得到了合理的解釋。中微子發生振盪的前提條件就是質量不為零和中微子之間存在混合。
2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文台發表了測量結果，探測到了太陽發出的全部三種中微子，證實了太陽中微子在達到地球途中發生了相互轉換，三種中微子的總流量與標準太陽模型的預言相符合，基本上有解釋了太陽中微子失落的部份。
2002年，雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊因在中微子天文學的開創性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。
2012年3月，大亞灣中微子實驗組織發言人宣布，大亞灣中微子實驗發現了新的中微子振盪，並測量到其振盪幾率。
2015年1月，繼大亞灣反應堆中微子實驗之後，由中國主持的第二個大型中微子實驗——江門中微子實驗在廣東省江門市建設啟動。其首要科學目標是利用反應堆中微子振盪確定中微子質量順序。實驗站將建在地下700米深處，計畫2020年投入運行並開始物理取數，運行至少20年。
理論研究
中心探測器在“中微子震盪”這個概念出現以前，根據狹義相對論而建立的中微子標準模型，中微子的質量應為零，並應該以光速行進。然而，近年的研究似乎開始對“中微子的質量是零”這個假設開始動搖，亦因此開始有人質疑中微子是否能夠以光速行進。
科學家首次對中微子的速度進行偵測在1980年代早期，當時科學家透過從脈衝質子束射擊而產生的脈衝π介子束來測量中微子的速度。當帶電的π介子衰變，就會產生μ子及中微子或電子中微子。透過長基線的設計，由遠方的加速器以此種方式產生中微子，經過地殼的作用削減背景事例，來進行中微子震盪的研究。透過檢測加速器產生粒子，與中微子出現在偵測器的時間差，就可測量出中微子的速度。結果顯示中微子的速度是光速與假設相符。後來當這個實驗在其他地方重複時，測量中微子的方法改用了MINOS偵測器，測出了一顆能量為3GeV的中微子的速度達1.000051(29)c。由於這個速度的中間值比光速還要快，科學家當時認為實驗的不確定性太大，而實際上中微子的速度應該不可能超過光速。這個實驗設定了50MeV的渺中微子的質量上限。
同樣的觀測不單在地球上發現，當天文學家觀測超新星SN1987A的中微子爆發時，世界各地有三台中微子偵測器各自探測到5到11箇中微子。有趣的是：這些偵測器是在SN1987A爆發的光線來到地球之前3小時偵測到的。對於這個現象，當時科學家把它解說為因為“中微子於超新星爆發時比可見光更早被發射出來，而不是中微子比光速快”，而這個速度亦與光速接近。然而，對於擁有更高能量的中微子是否仍然符合標準模型擴展仍然有爭議，當中微子違反了洛倫茲不變性而發生震盪，其速度有可能會比光速還要快。
2011年9月，位於義大利格蘭薩索國家實驗室(LNGS)的OPERA實驗宣布觀測結果，並刊登於英國《自然》雜誌。研究人員發現，中微子的移動速度比光速還快。根據這項對渺中微子的研究，發現當平均能級達到17GeV的渺中微子從CERN走到LNGS，所需的時間比光子在真空移動的速度還要快60.7納秒，即以光速的1.0000248倍運行，是實驗的標準差10納秒的六倍，“比光速快6公里”，是非常顯著的差異。如果此結果確定證實的話，將會是理論物理學界的一大震撼，其中一方的說法是，如果真的有如此大的差異，從超新星飛來的中微子應該早到數年而不是數小時。為此，合作進行實驗的歐洲粒子物理研究機構特地舉辦了一場網路發表會，詳細說明的實驗的方法以及各種誤差的估算，同時邀請其他的實驗機構能夠重複相同的實驗，來作為此結果的驗證。然而，在2012年2月，CERN發現是連線GPS和電腦光纖的接頭鬆動造成了中微子超光速的假象，但同時另一個與GPS信號同步的振盪器故障又可能導致實驗結果低估中微子的速度，為此將在2012年5月重新進行試驗進行檢測。
振盪原因
中微子振盪的原因是三種中微子的質量本徵態與弱作用本徵態之間存在混合，一個電子中微子具有三種質量本徵態成份，傳播一段距離後變成電子中微子，μ子中微子，τ子中微子的疊加。
中微子的產生和探測都是通過弱相互作用，而傳播則由質量本徵態決定。由於存在混合，產生時的弱作用本徵態不是質量本徵態，而是三種質量本徵態的疊加。三種質量本徵態按不同的物質波頻率傳播，因此在不同的距離上觀察中微子，會呈現出不同的弱作用本徵態成分。當用弱作用去探測中微子時，就會看到不同的中微子。
混合規律
中微子的混合規律由六個參數決定（另外還有兩個與振盪無關的相位角），包括三個混合角q12、q23、q13，兩個質量平方差Dm221、Dm232，以及一個電荷宇稱相位角dCP。通過大氣中微子振盪測得了q23與|Dm232|，通過太陽中微子振盪測得了q12與Dm221。在混合矩陣中，只有下面的兩個參數還沒有被測量到：最小的混合角q13、CP破缺的相位角dCP。目前測得的q13的實驗上限是：sin22q13<0.17（在Dm231=2.5×10-3eV2下），由法國的Chooz反應堆中微子實驗給出。
大氣中微子振盪|Dm232|=2.4´10-3eV2sin22q23=1.0
太陽中微子振盪Dm221=7.9´10-5eV2tan2q12=0.4
反應堆/長基線中微子振盪dCP未知sin22q13<0.17
q13的數值大小決定了未來中微子物理的發展方向。在輕子部分，所有CP破缺的物理效應都含有因子q13，故q13的大小調控著CP對稱性的破壞程度。如果它是如人們所預計的sin22q13等於1%～3%的話，則中微子的電荷宇稱（CP）相角可以通過長基線中微子實驗來測量，宇宙中物質與反物質的不對稱現象可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角無法測量，目前用中微子來解釋物質與反物質不對稱的理論便無法證實。q13接近於零也預示著新物理或一種新的對稱性的存在。因此不論是測得q13，或證明它極小（小於0.01），對宇宙起源、粒子物理大統一理論、以及未來中微子物理的發展方向等均有極為重要的意義。
q13可以通過反應堆中微子實驗或長基線加速器中微子實驗來測量。在長基線中微子實驗中，中微子振盪幾率跟q13、CP相角、物質效應、以及Dm232的符號有關，僅由一個觀測量實際上無法同時確定它們的大小。而反應堆中微子振盪只跟q13相關，可以乾淨地確定它的大小，實驗的周期與造價也遠小於長基線中微子實驗。從Reines和Cowan第一次發現中微子到第一次在KamLAND觀測到反應堆中微子振盪，在這50多年歷史中，反應堆中微子實驗一直扮演著重要角色。特別是最近的PaloVerde、CHOOZ、以及KamLAND幾個實驗的成功，給未來的反應堆中微子實驗提供了很好的技術基礎，使q13的精確測量成為可能。
實驗證明
由於中微子與其他物質的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數量的中微子。為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測儀器時常設立在地底下。2003年以來，有7個國家先後提出了8個實驗方案利用反應堆實驗測量θ13，最終投入建造的有3個，包括中國大亞灣實驗、法國DoubleChooz實驗、韓國RENO實驗。
大亞灣中微子實驗
國際合作組發言人王貽芳2012年3月8日在北京宣布，大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振盪，並測量到其振盪幾率。這一重要成果是對物質世界基本規律的一項新的認識，對中微子物理未來發展方向起到了決定性作用，並將有助於破解宇宙中“反物質消失之謎”。
“大亞灣實驗的結果具有極為重要的科學意義。它不僅使我們更深入了解了中微子的基本特性，也決定了我們是否能夠進行下一代中微子實驗，以了解宇宙中物質-反物質不對稱現象，即宇宙中‘反物質消失之謎’。”中國高能物理學會理事長趙光達院士說。
中國科學院高能物理研究所的科研人員2003年提出構想，利用中國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振盪，並提出了實驗和探測器設計的總體方案。
大亞灣實驗是一個中微子“消失”的實驗，它通過分布在三個實驗大廳的8個全同的探測器來獲取數據。每個探測器為直徑5米、高5米的圓柱形，裝滿透明的液體閃爍體，總重110噸。周圍緊鄰的核反應堆產生海量的電子反中微子，近點實驗大廳中的探測器將會測量這些中微子的初始通量，而遠點實驗大廳的探測器將負責尋找預期中的通量減少。
在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，科研人員使用了6箇中微子探測器，完成了實驗數據的獲取、質量檢查、刻度、修正和數據分析。結果表明中微子第三種振盪幾率為9.2%，誤差為1.7%，從而首次發現了這種新的中微子振盪模式。
2012年12月20日，美國《科學》雜誌公布了2012年度十大科學突破，大亞灣中微子實驗發現中微子第三種振盪模式的成果上榜。《科學》的評價是，“如果物理學家無法發現超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會代表粒子物理學的未來。大亞灣實驗的結果可能就是標誌著這一領域起飛的時刻。”
2017年1月9日，2016年度國家自然科學獎一等獎頒給了“大亞灣反應堆中微子實驗發現的中微子振盪新模式”。
江門中微子實驗
2015年1月，江門中微子實驗在廣東省江門市建設啟動。其首要科學目標是利用反應堆中微子振盪確定中微子質量順序。實驗站將建在地下700米深處，計畫2020年投入運行並開始物理取數，運行至少20年。
反中微子
中微子沒有通常意義上的反粒子。其中反電子中微子是β衰變的副產品。目前觀察到中微子只有左鏇，而反中微子只有右鏇。反中微子如同中微子只參與弱相互作用及重力作用。
由於中微子不帶電荷，其可能即是自己的反粒子。帶有這種性質的粒子稱作馬悠拉納粒子。如果中微子確實是馬悠拉納粒子，我們便有機會觀察到不放出中微子的雙重β衰變。有許多實驗試圖去尋找這類的反應過程。
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