--- title: "Super-Kamiokande：那些穿过地球才抵达的中微子 | Sandbox Physics" description: "有些中微子来自头顶的大气，有些先穿过了整个地球。把两种旅程放在一起比较，人们发现中微子会在途中改变。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/super-k-zenith-angle/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/neutrinos/super-k-zenith-angle/" last_modified: "2026-10-10" --- [2026 年诺贝尔物理学奖](https://sandboxphysics.com/zh/nobel/2026/physics/) # Super-Kamiokande：那些穿过地球才抵达的中微子 有些中微子来自头顶的大气，有些先穿过了整个地球。把两种旅程放在一起比较，人们发现中微子会在途中改变。 Sandbox Physics · 2026-10-09 · 更新于 2026-10-10 · 入门概念 ## 地球四周，都有中微子来源 宇宙线不断撞进大气，打出一串串次级粒子，这些粒子衰变就产生中微子。日本的水探测器 Super-Kamiokande 因此能从许多方向收到中微子。 头顶大气里产生的中微子，走一小段路就到了。另一些产生在地球另一侧，要穿过整个地球，从探测器下方进来。中微子很少与物质相互作用，所以穿得过去。 这样，一台仪器就能比较短途和长途。看抵达方向，就能大致知道中微子走了多远，物理学家把这段距离叫作“基线”。各个方向来的大气中微子本来就不完全一样多，所以研究人员要先算出每个方向该有多少，不能默认各方向计数相等。 依据：[1] · [2] ## 水怎样告诉我们粒子朝哪走 中微子在水里发生相互作用，可能打出一个带电粒子。带电粒子跑得比水中的光还快时，会发出切伦科夫光。水箱壁上的传感器接收这些光，记下它们形成的图样。 根据图样和光到达的先后，研究人员估计反应发生在哪里、带电粒子往哪个方向走，也能借此区分电子和 μ 子的信号。 这是认识中微子本身的第一步。带电粒子不一定正好沿着中微子来的方向走，能量较低时尤其如此；仪器看见和重建各类事件的能力也不一样。分析时这两点都要考虑。 依据：[2] · [1] 1. 01 **来自上方** 从头顶大气走较短的路 2. 02 **来自下方** 穿过地球的旅程 3. 03 **比较计数** 同时考虑方向和能量 把测量的几个环节连起来看。此图为方法示意。 ## 少掉的事件，与方向有关 Super-K 在 1998 年发表的论文用了 535 天的观测数据。μ 子中微子事件少了，而且少多少随抵达角度变化：从下方来的事件一般走得更远，缺得也更明显。 这种随方向变化的分布，比单单一个偏低的总数更能说明问题。如果只是把中微子总量估高了，许多方向可能一起偏低。要解释观测结果，就得说清为什么不同方向不一样。 结果与 μ 子中微子在路上变成 τ 子中微子相符。研究人员检查了探测器效应和大气中微子产生过程的不确定性，也比较了电子类事件等不同样本；他们考虑过的实验误差和通量误差，都解释不了这种分布。 依据：[1] · [3] ## 路程重要，能量也重要 这种现象叫中微子振荡：中微子产生时是一种味道，后来可能被测成另一种。变的概率取决于它走了多远、能量多高。 下面是简化的两味公式。它说明比较距离为什么有用，也说明光看距离不够：走同样远的中微子，能量不同，仍被测成原来味道的概率也可能不同。 真实探测器收进来的事件能量各不相同，测量精度也有限，理想公式里的起伏会被抹平。所以 Super-K 拿观测数据去比的，是仪器实际能测到的事件分布。 $$ P_{\mu\mu}=1-\sin^2(2\theta)\sin^2\!\left(1.267\,\frac{\Delta m^2[\mathrm{eV}^2]L[\mathrm{km}]}{E[\mathrm{GeV}]}\right) $$ 在两味、真空近似下，μ 子中微子仍被测成 μ 子中微子的概率。L 是距离，E 是能量，theta 描述混合程度，质量项是两种质量的平方之差；数值系数对应式中标出的单位。公式只说明变化趋势，不是原论文的拟合。 依据：[3] · [1] ## 这段长旅程，让我们知道了什么 中微子要振荡，各自的质量就不能全都一样。所以 Super-K 的结果帮助确立了一点：中微子不可能都没有质量。这项发现获得了 2015 年诺贝尔奖。质量究竟多大，还要靠别的实验来测。 对照 SNO 的太阳中微子实验，能看到两条不同的路：SNO 用灵敏度不同的几种反应，问到达的中微子是什么味道；Super-K 则靠传播距离，看出味道在变。 想看测量的第一步，可以打开切伦科夫 Lab：把带电粒子的路径倾斜一下，看光落在探测面上的样子。一个图样只能帮助估计一个事件；1998 年的发现，靠的是比较许多事件，看出计数随方向变化。 依据：[3] · [2] ## 我们由此知道了什么 少多少，取决于中微子走了多远。抵达方向能告诉我们这段距离，Super-K 借此找到证据：μ 子中微子在到达探测器之前改变了味道。 ## 在 Lab 中试一试 [大气中微子天顶角实验](https://sandboxphysics.com/zh/labs/atmospheric-neutrino-zenith/) [切伦科夫光环](https://sandboxphysics.com/zh/labs/cherenkov-rings/) ## 一手来源与修订 1. [Super-Kamiokande Collaboration · Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos (1998)](https://arxiv.org/abs/hep-ex/9807003) 2. [Kamioka Observatory · Super-Kamiokande detector](https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/sk/about/detector/) 3. [Nobel Committee · Neutrino oscillations, scientific background (2015)](https://www.nobelprize.org/uploads/2017/09/advanced-physicsprize2015.pdf) 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。 [← 前篇：我们周围的大气，怎样不断产生中微子？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/atmospheric-neutrino-production/) [后篇：少了一种味道，与多出另一种味道，是同一份证据吗？ →](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-appearance-and-disappearance/) ## 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？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/pontecorvo-maki-nakagawa-sakata-mixing/) 2. [文章 **中微子为什么会改变“味”？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-flavor-oscillations/) 3. [文章 **我们周围的大气，怎样不断产生中微子？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/atmospheric-neutrino-production/) 4. [当前页面 **Super-Kamiokande：那些穿过地球才抵达的中微子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/super-k-zenith-angle/) 5. [文章 **少了一种味道，与多出另一种味道，是同一份证据吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-appearance-and-disappearance/) 6. [文章 **2015 年：两台很不同的仪器，怎样共同确认味转换？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/nobel-2015-two-neutrino-evidence-paths/) 7. [文章 **知道中微子有质量，为什么还不能说它有多重？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/oscillations-and-mass/) 8. [文章 **地球能帮我们分清，中微子质量怎样排列吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/earth-matter-neutrino-mass-ordering/) 中微子 · 专题 ### 太阳中微子问题是怎样解决的 探测器测到的太阳中微子总是偏少。哪些实验证明，少掉的那部分换了味道？ 1. [文章 **为什么中微子一次次走进诺贝尔奖？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrinos-and-nobel-prizes/) 2. [文章 **Gargamelle：发生作用之后，中微子还能是中微子吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/gargamelle-neutral-currents/) 3. [文章 **太阳的中微子为什么少了？一只大罐子与持续多年的分歧**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/homestake-solar-neutrino-problem/) 4. [文章 **SNO：太阳“失踪”的中微子去了哪里？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/sno-flavor-transformation/) 5. [文章 **穿过太阳，为什么会改变中微子的味道？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/solar-matter-msw-effect/) 6. [当前页面 **Super-Kamiokande：那些穿过地球才抵达的中微子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/super-k-zenith-angle/) 7. [文章 **中微子为什么会改变“味”？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-flavor-oscillations/) 8. [文章 **少了一种味道，与多出另一种味道，是同一份证据吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-appearance-and-disappearance/) 9. [文章 **2015 年：两台很不同的仪器，怎样共同确认味转换？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/nobel-2015-two-neutrino-evidence-paths/) 10. [文章 **KamLAND：用地球上的反应堆，检验太阳之谜的答案**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/kamland-reactor-oscillations/) 11. [文章 **大亚湾：为什么要把近处和远处的探测器放在一起比较？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/daya-bay-near-far/) 12. [文章 **RENO 与 Double Chooz：为什么同一个混合角，要再测一次？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/reno-double-chooz-independent-mixing-tests/) 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？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/brookhaven-muon-neutrino/) 2. [文章 **DONUT：在 τ 子消失前，认出它的踪迹**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/donut-tau-neutrino/) 3. [文章 **我们周围的大气，怎样不断产生中微子？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/atmospheric-neutrino-production/) 4. [当前页面 **Super-Kamiokande：那些穿过地球才抵达的中微子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/super-k-zenith-angle/) 5. [文章 **还没看见振荡时，混合的想法是怎样形成的？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/pontecorvo-maki-nakagawa-sakata-mixing/) 6. [文章 **中微子为什么会改变“味”？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-flavor-oscillations/) 7. 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