用高能質子加速器進行高能物理實驗，首先需要引出各種次級束流。中微子束是各種次級束流中極為重要而又與其他各種次級束有所不同的一種。
中微子束不能由初級束直接打靶產生，它是次級粒子的衰變產物。為了提高它的強度，需要採用特殊的聚焦設備。。
中微子是一種不帶電的弱作用粒子，它與物質的相互作用極弱，作用截面非常小。過去一直認為這類實驗極難實現，產生的作用事例也是很少的。但中微子的作用截面與中微子的能量成正比。如果一方面提高中微子能量，另一方面提高加速器流強和中微子通最，同時又改進探測器的接受度，加大探測器的有效質量，那么就有可能大大提高中微子反應的事例率。
基本介紹
- 中文名：中微子束
- 外文名：Neutrino beam
- 套用：天文學、通訊方面
- 屬性：高能質子束
- 產生：次級粒子的衰變產物
- 最早發現：1931年，泡利
中微子假說的提出與證實,加速器中微子束流,中微子源,中微子束流線主要組成,中微子束的種類,中微子天文學方法,中微子通信,
中微子假說的提出與證實
β衰變現象被發現以後，物理學家們對它進行了認真的研究，發現衰變後的總能量比衰變前少，而且衰變前動量以及某些量子力學家中的守恆量也不守恆。為了解決這些矛盾，著名美籍奧地利物理學家泡利於1931年提出了在β衰變中原子核在發射電子的同時，還放出了一個既不帶電量可能也不具有靜止質量的粒子，這個粒子帶走了丟失不見的能量。1933年，費密把這種粒子命名為中微子。中微子假說的提出，使大量實驗現象得到滿意解釋。但是，由於中微子不帶電荷，也沒有質量或質量很小，因此驗證它就成了困難。在長達四分之一世紀的時間裡，它被看做是 “幽靈粒子”。
1941年，中國物理學家王淦昌建議通過氫原子核俘獲k殼層電子釋放中微子時所產生的反衝探測中微子。在這類過程中，所產生的原子核的反衝能量和動量將僅同發射的中微子有關。他的構想《探測中微子的建議》發表於1942年1月出版的美國《物理評論》。接著，美國物理學家阿倫就此進行了Be的k俘獲實驗，證實了王淦昌的預言。1942年，日本物理學家板田昌一從理論上分析預言存在兩種中微子。美國物理學家科恩及萊因斯在高通量反應堆中進行實驗，首先檢測到核反應堆中產生的自旋與運動方向相同的反中微子的稀有俘獲，從而證實了中微子的存在。1961—1962年，美國哥倫比亞大學的萊德曼等人用同步加速器加速的高能質子打擊鈹靶，用產生高能中微子束進行實驗，證實了兩種中微子的存在。中微子的發現為弱相互作用的研究奠定基礎。
加速器中微子束流
而中微子束則不能由初級束直接打靶產生，它是次級粒子的衰變產物。設計和建造中微子束流是進行加速器中微子物理研究必須具備的條件。束流的性能也將直接影響到中微子物理實驗的水平。
中微子源
高能加速器中微子束源主要有兩種：π介子束和K介子束。π、K介子衰變產生μ介子和μ子型中微子(νμ)，這兩種中微子源都是從兩體衰變得到的。
中微子束流線主要組成
靶區：從加速器引出的質子束打到靶上產生次級π、K介子。為了保證初級質子束與靶物質有效地發生相互作用以及防止次級束在靶中的吸收，一般選取2一3個相互作用長度。所謂相互作用長度是指在靶物質中產生一個相互作用所經過的平均距離。
聚焦區：主要作用是對π、K介子束進行聚焦，選取一定動量範圍和同樣電荷的π、K介子。在這裡，除了採用通常的四極和二極磁鐵外，還需採用特殊的聚焦裝置——“磁號”(magnetic horn)。“磁號”是一個形狀象傳聲簡由鋁合金製成的對帶電π、K介子進行聚焦的裝置。“磁號”本體可以分為內導體和外導體，內、外導體均通以電流，在兩個導體間的空間內形成環形磁場。由於這種環形磁場對帶電粒子的偏轉作用，從而使“磁號”能對動員範圍變化很大，發射角也很大的π、K介子束聚焦。
衰變區：這是一個抽成真空的管道,，在管道中π、K介子衰變為μ介子和μ子型中微子。
禁止區：其作用主要是吸收剩餘π、K介子和其他強子以及不需要的μ介子。吸收物質主要是鐵、水泥和土塊等。
監視裝置：在禁止體中沿束流線方向每隔一定距離開有與束流線垂直的孔道，在孔道內放置探測器(如固體徑跡探測器、核乳膠或小型氣體電離室等)，測量μ介子通量分布。由這種解介子通量分布來重建π、K介子譜，從而推得中微子的通量分布。
實驗區：經過禁止體過濾的中微子束進人實驗區的中微子探測器。
中微子束的種類
按中微子能譜的特徵可分為寬頻束(wide band beam)和窄帶束(anrrow band beam)。根據聚焦情況的不同又可分為喇叭束(horn beam)、四極束、無聚焦束(亦稱裸靶束)和雙色束，前三種是寬頻束，後一種是窄帶束。
喇叭束：具有最強的中微子通量。其峰值通量可達109~1010中微子/m2·GeV·入射質子數(103)。聚焦的主要部件是“磁號”。喇叭束是常用的中微子束流，它適用於飽室和計數器實驗。
四極束：由多重四極磁鐵聚焦。其特點是：與中微子通量峰值相應的能量比其他束高，高能部分通量可以與喇叭束相比，適於作泡室或計數器實驗。
聚焦束：沒有聚焦部件，因此其通量比喇叭束和四極束都要低。它僅僅由一對選擇通過衰變區的π、K介子符號的二極磁鐵組成。操作比較簡單且能產生較純的中微子和反中微子束。
雙色束：為了便於對所觀察的中微子相互作用的分析，希望能同時知道入射中微子的能里Eν和入射角θν，這就需要設計雙色束。雙色束的原理主要是對次級π、K介子作符號和動量選擇。
中微子天文學方法
通過探測天體發射的中微子研究天體的科學方法。60年代以後形成。中微子和一般物質的相互作用非常微弱，而各種天體活動產生中微子的數量又非常之多，因此在恆星內部產生的中微子能自由地穿透恆星表面。如果能對恆星發射的中微子進行探測，那么就能獲得有關恆星內部結構的重要信息。
1956年在實驗室中觀察到中微子後，1962年美國布魯克里文實驗室已能產生出強大的高能中微子束。同一時期，在深礦井中進行了對太陽中微子的探測，實驗結果表明，檢測到的中微子約為按標準太陽模型計算值的1/3，這就是著名的“太陽中微子失蹤之謎”。這個問題至今仍懸而未決。
另外，在恆星演化的晚期，中微子的作用變得越來越重要，其作用是：①發射中微子，帶走了大量能量，加速了恆星演化的進程並縮短了恆星演化的時標;②對超新星爆發和中子星形成可能起關鍵作用。目前，科學家已擁有探測中微子的設備，如能實時觀測到一次銀河系內的超新星爆發，就可用實測資料分析爆炸的全過程，並檢驗有關理論。在廣闊無垠的宇宙中，只要有物質和相互作用就有中微子存在。
從宇宙早期演化開始，就產生過大量中微子，這些低能宇宙背景中微子可能已存在了100億年，如能設法探測到，這無疑將成為探索宇宙早期演化的一種手段。而各種高能天體(如射電星系、活動星系核和類星體)不斷產生著能量極高、數量很多的高能中微子，對它們的探測應能提供許多前所未知的高能天體演化的寶貴信息。
中微子通信
這是一種採用中微子束來代替電磁波傳遞信息的無線通信方式。它可以衝破電磁波通信不可逾越的水下和地下這兩大禁區，實現全球無線通信;它保密性好，傳遞信息快，不受外界干擾，對人體無害。這些優點是其他通信方式無法比擬的。
中微子通信過程和微波通信相似，有發射和接收裝置。通信時，發射端首先用高能質子加速器，將質子加速到幾千億電子伏特的能量，然後去轟擊一塊金屬靶子。此時，靶子的背面就會產生許多“短命”的介子，這些介子一邊運動，一邊發生衰變，從而變成中微子和μ子。再讓它們共同穿過鋼板，這時μ子被鋼板阻擋並衰變了，剩下的就是純淨的中微子束。然後，再用信號對它進行調製，接著通過磁場控制載有信息的中微子束，使之按人的旨意朝一定方向傳向目標。
接收端是一個貯有近億噸水的大水箱，箱內的光探測器星羅棋布。當發射來的中微子束在水中傳過時，就會與原子核中的中子發生核反應而生成μ子，μ子在水中高速前進，受到核的減速作用放出光子，這些光子進而被水中的光探測器接收，即可把原來中微子束所攜帶的信息解調出來，從而達到通信的目的。
