跳到主要内容
Sandbox Physics
2026 年诺贝尔物理学奖

我们周围的大气,怎样不断产生中微子?

宇宙线撞进空气,引发一场粒子级联。π 介子和 μ 子衰变出中微子,从头顶、脚下和地平线方向飞来。要检验振荡,探测器先得把这套来源的分布弄清楚。

撞进空气的宇宙线,只是起点

高能质子和其他原子核从太空飞来,撞上空气中的原子核,打出次级粒子。次级粒子还会再撞、再衰变,越来越多,这就是大气簇射。

簇射里的带电 π 介子和 K 介子,是大气中微子的重要母粒子。它们衰变时还会放出 μ 子,μ 子再衰变,又多出中微子。整片大气就成了笼罩全球的粒子源。

叫“大气中微子”,是因为它们生在空气里。引发簇射的宇宙线也许来自遥远的天体加速器,中微子本身却是在大气里产生的。搜寻宇宙中微子信号时,这个区别很要紧。

依据:[1] · [2] · [3]

跟着一个 π 介子,走完两次衰变

正 π 介子可以衰变成正 μ 子和 μ 子中微子。这个 μ 子接着衰变,又产生正电子、电子中微子和 μ 子反中微子。负 π 介子走的是同一条链,只是粒子和反粒子对调。

把这条完整链的产物数一遍:μ 味中微子或反中微子两个,电子味一个。能量较低、还没振荡时,常说的大约二比一就是这么来的。

这只是对一条简化链条的计数。几个产物的能量各不相同,探测器的某个能量区间也不会一次把整条链收齐。所以二比一只能帮助理解源头的味道构成,不能预言 μ 子事件正好是电子事件的两倍。

π+⟶μ++νμμ+⟶e++νe+νˉμ\begin{aligned}\pi^+&\longrightarrow\mu^++\nu_\mu\\\mu^+&\longrightarrow e^++\nu_e+\bar\nu_\mu\end{aligned}
从正 π 介子到 μ 子衰变走完一整条链,中微子和反中微子合在一起数,共有两个 μ 味粒子、一个电子味粒子。它们各带多少能量、被探测到的概率多大,这个计数都不管。

依据:[1] · [2] · [4]

  1. 01宇宙线进入空气

    碰撞产生 π 介子等母粒子

  2. 02衰变或继续作用

    先衰变还是先碰撞,看能量和空气密度

  3. 03传播到探测器

    方向决定距离,味道途中可能改变

大气产生什么、途中发生什么、探测器测到什么,是三个不同环节。一条完整 π—μ 衰变链数出的二比一,并不固定探测事件的比例。

能量高了,母粒子未必来得及衰变

μ 子跑得越快,从地球上看它的寿命越长,这是相对论时间膨胀。它可能到了地面才衰变,大气里的链条就少了一个电子味中微子,也少了一份 μ 味贡献。

π 介子和 K 介子也可能还没衰变就先撞上别的核。先撞还是先衰变,要看能量和空气密度。几乎水平地穿过稀薄空气,和向下钻进稠密的空气层,衰变的机会不一样。

所以细致的通量计算要用到宇宙线能谱、粒子产生模型、大气结构和地磁场。测量大气 μ 子,也能检验同一套级联物理。味道比例里有些因素会互相抵消,但比例本身仍受这些输入影响。

依据:[1] · [5] · [2]

脚下来的中微子,生在地球另一侧的大气里

早期研究大气振荡时关心的是 GeV 能区。在这个能区,大多数中微子能穿过地球而不被吸收。一台探测器因此既收到头顶空气里产生的中微子,也收到地球另一侧空气里产生的。

头顶来的只走了不远,脚下来的在探测器附近发生作用之前,可能已经走了数千公里。只看到达方向,就能比较传播距离,探测器和人工源都不用挪。

各个方向来的通量并不一样。地磁效应、级联的几何形状、能量和探测器接受度,都会改变预期的角分布。能量高得多时,地球内部的吸收也不能忽略,IceCube 后来的测量显示了这一点。

依据:[5] · [6] · [7]

天然的源,变成了检验传播的实验

探测器看到的是中微子作用后产生的带电粒子,不是大气里产生的通量。要比较味道,得知道作用截面、粒子识别和探测效率;要比较方向,还得弄清中微子方向和看得见的产物方向有什么关系。

1998 年,Super-Kamiokande 用不同味道、不同方向的事件分布检验振荡。关键的缺额出在向上来的 μ 味事件,它们走过的距离很长;类电子事件则提供了互补的对照。

后来,大气中微子同时扮演两个角色:研究中微子性质时,它是信号;搜寻高能宇宙中微子时,它是本底。两种用途都从同一个问题出发:大气产生了什么,一路传播和探测器又把它变成了怎样的观测结果?

依据:[6] · [1] · [3] · [4]

在 Lab 中试一试

一手来源与修订

  1. Honda et al. · Atmospheric flux with a model calibrated to muon data (2007)
  2. Gaisser & Honda · Flux of Atmospheric Neutrinos (2002)
  3. IceCube Collaboration · Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos (2013)
  4. Particle Data Group · Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations (2024)
  5. Honda et al. · A three-dimensional atmospheric-neutrino flux calculation (2004)
  6. Super-Kamiokande Collaboration · Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos (1998)
  7. IceCube Collaboration · Multi-TeV neutrino cross section using Earth absorption (2017)

2026-10-09 首发;2026-10-10 最后修订。解释文字与图解由 Sandbox Physics 原创;插图为示意,不复刻实验事件记录。本专题为独立教育内容,并非诺奖机构或实验合作组的官方出版物。

继续阅读

中微子 · 阅读路径

理解味转换与质量

  1. 文章还没看见振荡时,混合的想法是怎样形成的?
  2. 文章中微子为什么会改变“味”?
  3. 当前页面我们周围的大气,怎样不断产生中微子?
  4. 文章Super-Kamiokande:那些穿过地球才抵达的中微子
  5. 文章少了一种味道,与多出另一种味道,是同一份证据吗?
  6. 文章2015 年:两台很不同的仪器,怎样共同确认味转换?
  7. 文章知道中微子有质量,为什么还不能说它有多重?
  8. 文章地球能帮我们分清,中微子质量怎样排列吗?

中微子 · 专题

IceCube 怎样找到来自宇宙的中微子

冰里的几次闪光,要经过哪些检验,才算发现了宇宙中微子?

  1. 文章2026 年诺贝尔物理学奖:为什么要去南极冰中寻找中微子?
  2. 文章光已经告诉了我们很多,为什么还要看中微子?
  3. 文章探测器那么大,事件却那么少:读懂中微子的量级
  4. 文章从一次闪光到一个发现,中间要经过哪些检验?
  5. 文章逐图读懂 IceCube 的发现论文
  6. 当前页面我们周围的大气,怎样不断产生中微子?
  7. 文章IceCube 的 28 个事件:怎样认出来自宇宙的高能中微子
  8. 文章TXS 0506+056:一次警报,两路不同的证据
  9. 文章NGC 1068:一项中微子超额,究竟确定了什么?
  10. 文章同一片中微子天空,三个不同的问题
  11. 文章少量中微子事件,怎样构成证据?
  12. 文章打开真实中微子事件文件,怎样读?

中微子 · 专题

三种中微子,以及它们怎样混合

人们怎样找到第二种、第三种中微子,再证明三种味道会互相混合?

  1. 文章为什么还需要第二种中微子?
  2. 文章DONUT:在 τ 子消失前,认出它的踪迹
  3. 当前页面我们周围的大气,怎样不断产生中微子?
  4. 文章Super-Kamiokande:那些穿过地球才抵达的中微子
  5. 文章还没看见振荡时,混合的想法是怎样形成的?
  6. 文章中微子为什么会改变“味”?
  7. 文章少了一种味道,与多出另一种味道,是同一份证据吗?
  8. 文章没法用磁场拐弯的粒子,怎样做成一束?
  9. 文章K2K 与 MINOS:自己选定距离,检验中微子味转换
  10. 文章OPERA:τ 味出现,与被纠正的计时异常
反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策