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捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子 二

1930年,物理学家包立为了处置贝他衰变里能量不守恒的疑问,假想一种观测不到的新粒子;这个想法惹起了实践物理学家费米的兴味……

费米的实践:可以凭空发明或覆灭的微中子

费米采用过后一些人的猜想,假定原子核由质子和(不久前才刚发现的)中子组成;至于贝他衰变里的电子、和包立假想的微中子,原本并不存在于原子核内,而是在中子转换成质子的环节中连带发生;换言之,贝他衰变关涉到如下反响:

中子 → 质子+电子+(反)微中子[1]

贝他衰变原先被以为仅放出电子(图左上),后来在费米的实践里,形容为中子衰变为质子,再加上电子和反微中子(图右下)。(图片起源)

实践上什么都穿得透!微中子真的有方法观测吗?

虽然包立的提案和费米的实践看似可以完美解释贝他衰变带来的疑问,但只需微中子没有被观测到,一切都是地面阁楼,事件等于没有处置。迷信家开局思索,有没有或者用试验证明微中子的存在。

1934 年,贝特[2]和佩尔斯[3]预算了侦测微中子的或者性。相较于阿尔法粒子(氦原子核)单用一张纸就能挡下,贝他粒子(电子)要用几公厘厚的铝片能力遮盖,伽马射线甚至须要用到一公分厚的铅、或六公分厚的混凝土,能力降落约 50% 的强度;两人却发现微中子足以在普通性的固体外后退十的十六次方公里(1016km)[4],约莫海王星到太阳距离的 220 万倍,即一千光年!这么强的穿透力,显然没有任何试验仪器能够捕捉。

贝特和佩尔斯于是下了论断:没有任何实践可行的方法观测到微中子!

三种不同的重要衰变,其穿透力各有不同。(图片起源)

微中子观测计画:以买乐透的精气启动!

正所谓方法是人想进去的,就算微中子简直可以毫不阻碍穿梭任何物体,但只需有够多的微中子,总还是无时机看到微中子跟其余物质出现反响──就像大乐透虽然很难中奖,但只需多买几张,或多或少还是会中。

1951 年,曾在曼哈顿计画、费曼[5]的小组里上班的莱因斯[6],找了洛斯阿拉莫斯国度试验室(Los Alamos National Laboratory)的共事科温[7]一同启动 微中子观测计画 。后来,他们想在距离核子试爆点仅四十公尺的中央,向下开掘深井搁置探测器,应用试暴发生的少量微中子来提高侦测机率。然而,思索到爆炸只要短短一两秒,一旦失败就得从新期待时机;来自中子和伽马射线的背景杂讯又相当高,反而参与搜集数据的难度。

两人最后选择改在 核子反响炉 左近启动钻研:微中子的数目虽然比核爆少很多,但起源继续稳固──预计每小时只能侦测到数个微中子反响事例,但只需等上几个月、累积多一点数据,也足够了。

莱因斯和科温原本想在离核爆点仅四十公尺的中央挖洞,启动微中子侦测试验。(图片起源)

应用核电厂寻觅微中子

1955 年底,莱因斯和科温在南卡罗莱纳州萨凡纳河区(Savannah River Site)的核子反响炉左近设置了试验仪器。他们将氯化镉(CdCl₂)溶解于 1400 公升的水里,在此处实践上每平方公分的水面面积大概每秒就有十兆(十万亿,或1013)个反微中子经过。而假设有反微中子经过,水里的质子和反微中子作用后,会发生 正电子 中子 (逆贝他衰变):

反微中子+质子 → 正电子+中子

正电子会马上跟水里的电子湮灭,放出两个伽马射线光子;而中子在接上去百万分之几秒内就会被镉原子核捕捉,也发生伽马射线。于是,试验探测器假设在很短的期间内延续看到两道不同的闪光讯号──就示意观测到(反)微中子了。

反微中子和水里的质子作用发生逆贝他衰变,生成的正电子和中子随后也会区分由于湮灭和捕捉作用而放出光子。(图片起源)

包立,你赌输了!

1956 年,莱因斯和科温在做完一切验证之后,发了电报给正在欧洲核子钻研组织(CERN)散会的包立,告知微中子的发现。包立看了电报,立刻打断会议、兴奋地向其他人宣读电报内容并宣布感言。不只如此,由于包立曾跟天文学家巴德[8]打赌,人类永远侦测不到微中子──这下他只能愿赌服输,买了一箱香槟送给巴德。

三十九年后,莱因斯由于微中子的发现,获颁诺贝尔物理学奖;科温则由于英年早逝,无缘介入这别具意义的一刻。随着微中子被证明,贝他衰变带来的悬念总算可以放下──假设事件这么开展就太无趣了。

第二种微中子

1962 年,莱德曼[9]、施瓦茨[10]、施泰因贝格尔[11]等人从美国布鲁克赫文国度试验室(Brookhaven National Laboratory)的粒子减速器,应用 π介子衰变产出微中子束,并确认其与 1956 年发现的微中子有别:贝他衰变里的微中子,总是随同着正负 电子; 而莱德曼等人发现的微中子,却是在另一种粒子── 缈子 相关反响中出现;所以后来两者区分被称为电子微中子和缈子微中子。

由于莱德曼、施瓦茨、施泰因贝格尔产制微中子束的 ... ,能够协助迷信家更好地钻研微中子关涉到的弱交互作用;也由于他们发现新的微中子,让前人愈加了解两种不同微中子和电子╱缈子的配对相关;三人于 1988 年获颁诺贝尔物理学奖。

π介子的重要衰变发生反缈子以及和缈子对应的微中子――缈子微中子。(图片起源)

比缈子更重的新粒子

自从缈子在 1930 年代被发现之后,人们花了数十年的期间才逐渐了解,缈子的性质和电子十分凑近(只是品质较大)──它们跟两种微中子后来都被归类为「轻子」(Lepton)。于是有人猜想,会不会有比缈子更重的轻子呢?

1971 年,中国台湾省出世的美国籍迷信家、史丹福大学传授蔡永赐(Yung-su Tsai)宣布论文,讨论更重的轻子在试验中或者引发的效应──这造成了接上去 1974 到 1977 年的一系列试验,以及 涛子 (Tau)的发现。涛子的发现者佩尔[12]因此和发现微中子的莱因斯共享了 1995 年的诺贝尔物理学奖。

既然电子和缈子都有相应的微中子,涛子应该也不例外──大局部人都是这么坚信的。然而过了许久,直到 2000 年,涛子微中子才正式被发现。

依照如今的粒子物理规范模型,轻子蕴含三个家族,区分由带电的电子、缈子、涛子三者,和相应的(电中性)微中子组成。由于有很强的证据显示,微中子的品质就算不为零,也必然极小,所以规范模型间接把微中子品质定为零,也没有微中子的品质起源机制。

故事到此完结了吗?至少看起来功德圆满:和电子、缈子、涛子相应的微中子都发现了,不多不少;它们在规范模型的实践架构里都有适当的位置,而且规范模型运作得十分完成。怎知,很快地,微中子又将带给物理学界大震撼,规范模型也面临结构调整。那是下一个故事了。

目前规范模型里,轻子分红三个家族(三代),各由电子、缈子、涛子和相应的微中子组成。

注释

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