中微子物理学

物理学天空中新的乌云——中微子超光速！？

前言

上世纪初，两朵乌云徘徊在物理学的天边。当时的所有物理学家都没能想到，这两朵乌云带来了相对论和量子力学的革命，从而奠定了现代物理学。一百年来，这两个现代物理的支柱经受了无数实验的检验，一起支撑起了你我所存在的这个世界的生活。从iphone到GPS定位，都离不开他们的理论基础。但是历史往往是相似的，就不久前，在很多物理学家认为已经找到了我们世界的“大设计”时①，天空好像又飘来了一朵中微子的乌云„„

一、中微子的前世今生

20世纪20年代末，物理学家在研究衰变时，对于原子棱发生衰变后所发射的粒子的能量是连续的而感到难以理解，以致有人甚至认为在微观领域里可以不尊守能量守恒定律。但奥地利物理学家泡利坚信能量守恒是一个普遗适用的规律。为了解能量问题和其它如角动量守恒和衰变前后粒子的统计性等问题。他于1930年提出在衰变中发射了一种质量很小或为零的新粒子— — 中微子由于泡利提出可能存在这种中性的粒子，各种问题均得到满意的解释。3年后 费米根据泡利的中微子假设，于1933年提出了四分量衰变理论。该理论不仅成功地解决了光谱和半衰期等问题，而且还发现了除已知的引力和电磁力之外还存在第三种力— — 弱相互作用力。存在中微子的假设一经提出，便解释了当时大量的物理实验现象并且很快为物理学家所接受。可是人们一直不能从实验上证实中微子的存在。1941年王淦昌先生建议用Be原子核的K 轨道电子俘获测量 原子核的反冲能来证明中微子的存在。阿伦根据王淦昌先生的建议用实验间接证实了电子中微子的存在。但由于中微子的反应截面非常小，所以中微子存在的直接实验证实直到1956年才由柯温和幕苗斯获得。他们利用反应堆反应产物的衰变产生的反中微子观测到了反中微子诱发的反应。从而证实了反中微子的存在。1962年幕蕾曼等人在美国布鲁海文实验室的33 GeV 加速器上证实了子中微子和电子中微子是两种不同的中微子。到20世纪90年代为止，实验总共指出有不下5种中微子，中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

1995年诺贝尔物理学奖——中微子和重轻子的发现

288 1995年诺贝尔物理学奖——中微子和重轻子的发现

1995年诺贝尔物理学奖的一半授予美国加州斯坦福大学的佩尔（Martin

L.Perl，1927—），奖励他发现了τ轻子①，另一半授予美国加利福尼亚州欧文（Lrvine）加州大学的莱因斯（Frederick Reines，1918—），奖励他检测到了中微子。

佩尔和莱因斯是对轻子物理学作出重大贡献的两位美国物理学家。这是继鲍威尔（1950年发现π介子），张伯伦与西格雷（1959年发现反质子），丁肇中与里克特（1976年发现J/ψ粒子），鲁比亚和范德米尔（1984年发现W±、z0粒子），莱德曼、施瓦茨和斯坦博格（1988年发现中微子有不同属性），夏帕克（1992年发明多丝正比室）等人之后，国际科学界又一次将诺贝尔物理学奖这一殊荣授予实验高能粒子物理学领域的科学家，人数占本世纪后半叶的总领奖人数的12％。

从这一统计数字可以看出，50年代以来，实验高能粒子物理学的成就非常突出，是物理学界引以为豪的领域之一。

提到中微子的发现，应该先讲讲几件先驱的贡献。中微子的概念是1930年泡利首先提出的。当时摆在物理学家面前的疑难问题中有一个涉及β衰变。β衰变和α衰变及γ衰变不一样，放射性元素发出的β电子能量是连续分布的，不像α和γ射线具有明确的分立谱。而原子核的能态差是确定的，显然β衰变的连续谱是一种反常现象，不符合能量守恒定律的要求。是某种未知的过程在起作用，把能量带走了，还是能量守恒定律不适用于β衰变？在这个疑难问题面前，玻尔甚至都准备放弃能量守恒定律的普适性，他提出也许能量守恒定律只适用于统计性的过程。泡利是一位思想极为活跃的理论家，他在一封给同行的公开信中提出：“原子核中可能存在一种自旋为1/2，服从不相容原理的电中性粒子”。β衰变中失踪的能量也许就是这一察觉不到的中性粒子——中微子带走的。

费米支持泡利的设想，他在1934年正式提出β衰变理论，很好地解释了β能谱的连续性问题，不久这一理论得到了正电子衰变实验的肯定。然而，由于这种微小的中性粒子既不荷电，又不参与强相互作用，质量微不足道，它的存在一直未能得到实验验证。人们只能从能量和角动量的分析，论证这一幽灵式的基本粒子的存在和所起的作用。

中微子的发现

背景

从运动学理论可以知道，当一个粒子衰变为两个粒子时，动量和动能守恒，末态粒子的能量应为确定值。而1914年，查德威克在实验中发现衰变中放出的电子的能谱为连续谱，这意味着电子有各种不同的能量。这是什么原因呢？

对查德威克发现的现象，梅特纳认为：原子发射的电子能量都具有观察到的最大值，最终观察到的是电子经过别的过程损失一定能量后的次级电子。艾利斯(C.D.Ellis)和伍斯特(W.A.Wooster)设计了一个实验，运用一个量能器把所有产生的粒子收集起来，即使初级电子的能量被次级过程重新分配，也能从收集到的总能量算出每次衰变放出的平均能量，它应当等于观察到的电子能谱极大值。可是，1927年他们的实验结果表明，量能器得到的只是最后射出的电子能量，其平均值与连续谱相符，而看不到次级发射的其它能量。由此可见并没有什么次级过程起作用的迹象。

面对这种困惑形势，玻尔对能量守恒理论提出了质疑。玻尔的主张遭到激烈的反对，狄拉克表示：“我宁可不惜任何代价来保持能量的严格守恒。”泡利也不同意玻尔的观点，1930年，他提出：衰变中，可能存在一种电中性的粒子带走了电子一部分能量。他把这一电中性的粒子称为中微子。泡利的这一建议是很大胆的，因为这样的粒子是很难直接探测出来的 ，但这一假设可以使人们摆脱有关核结构理论及衰变所遇到的困境。

1933年10月的索尔维会议对中微子概念的发展具有重大意义。泡利在会

上再次介绍了他对这个新粒子的看法。尽管海森伯还持有怀疑态度，费米却对

它做了肯定，并且已经认识到它与中子的区别。那届索尔维会议后仅两个月，费米即在核的质子-中子模型的基础上，发表了有关衰变的理论。他用相对论

量子力学描述费米子，又利用狄拉克辐射理论的产生与湮灭算符及遵从二次量

子化的方法导出了寿命公式和衰变的连续能谱公式，成功的完成了他的衰变

理论。费米的衰变理论，不仅圆满地解释了整个衰变过程，澄清了有关衰变的疑难，同时也确立了有关核结构的理论。按照费米的理论，在衰变里，中微子总是和电子一起放出来，它们不都是原子核中原有的成分。基本的衰变可以写成

1988年诺贝尔物理学奖——中微子的研究

1988年诺贝尔物理学奖授予美国伊利诺斯州巴塔维亚（Batavia）费米国家加速器实验室的莱德曼（Leon ,1922—）、美国加利福尼亚州蒙顿维（Mountain

View），数字通讯公司（DigitalPathways,Inc）的施瓦茨（Melvin Schwartz，1932—）和瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的斯坦博格（Jack Steinberger，1921—），以表彰他们在发展中微子束方法以及通过μ子中微子的发现显示轻子的二重态结构所作的贡献。

中微子的研究在粒子物理学中占有重要地位。它原来是一个假设的粒子。1931年，泡利从研究β衰变的能谱出发，提出了中微子的假设，当时几乎没有人能够想像，怎么去“捕捉”这一神秘莫测的“粒子”。因为中微子是中性的，所以用于测量带电粒子的所有办法，对它都无效。它与物质的相互作用又极弱，甚至可以穿过整个地球而不被任何物质吸收。所以长时期以来，中微子只是在理论家的计算中出现，而实验上始终无法证实它的存在。1934年，费米根据泡利的假设，提出了原子核中的中子衰变成质子，同时放出一个电子与中微子的β衰变理论。费米的理论指出，原子核β衰变的相互作用，不同于电磁相互作用，是一种“弱相互作用”。费米的理论计算与实验结果符合得很好，间接地证明了中微子的存在。即使如此，人们仍然不知道，如何真正地去测量它。

1952年戴维斯（Davis）按照早在1941年由我国科学家王淦昌所提出的建议，用K俘获法证明了中微子的存在。

1953年，在反应堆旁观测到了反中微子。1956年，科昂（Cowan），莱因斯（Reines）等人，在实验上直接观察到中微子①。1958年，哥德哈勃（Goldhaber）等人，还精确地测出了中微子的螺旋性。他们用的也是K俘获法。用152En俘获一个K壳层的电子，变成152Sm的激发态，再放出一个中微子，成为152Sm。经过仔细分析，他们第一次确定，中微子的螺旋性是-1，反中微子是+1。在这之前，还有两种常用的方法：一种是所谓的β能谱法，即用量能器测量β衰变时的能量谱，由于电子只带走了衰变前后原子核能量差的一部分，其余部分的能量，即由中微子带走。这是最早的中微子实验，可以定性地，间接地证实中微子的存在。另一种是原子核反冲法。原子核在β衰变发射电子的同时，原子核本身还要受到一个反作用力，使原子核本身获得一个反冲速度。只要测出了发射电子与反冲核的动量，从动量的守恒，就可以确认中微子的存在。