捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子(二)-pg电子游戏

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捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子(二)

1930年,物理学家包立为了解决贝他衰变里能量不守恒的问题,假想一种观测不到的新粒子;这个想法引起了理论物理学家费米的兴趣……

本系列上一篇:捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子(一)

费米的理论:可以凭空创造或消灭的微中子

费米采纳当时一些人的猜测,假设原子核由质子和(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过程中连带产生;换言之,贝他衰变牵涉到如下反应:

中子 → 质子+电子+(反)微中子[1]

费米参照带电粒子能够放出光子的现象,让理论描述的粒子可以凭空创造或消灭!这在当时是很突破性的概念,也难怪《自然》的编辑认为论文充满臆测而驳回投稿。

贝他衰变原先被认为仅放出电子(图左上),后来在费米的理论里,描述为中子衰变为质子,再加上电子和反微中子(图右下)。(图片来源)

理论上什么都穿得透!微中子真的有办法观测吗?

尽管包立的提案和费米的理论看似可以完美解释贝他衰变带来的问题,但只要微中子没有被观测到,一切都是空中阁楼,事情等于没有解决。科学家开始思考,有没有可能用实验证明微中子的存在。

1934 年,贝特[2]和佩尔斯[3]估算了侦测微中子的可能性。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才能遮蔽,伽马射线甚至需要用到一公分厚的铅、或六公分厚的混凝土,才能降低约 50% 的强度;两人却发现微中子足以在一般性的固体内行进十的十六次方公里(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,显然没有任何实验仪器能够捕捉。

贝特和佩尔斯于是下了结论:没有任何实际可行的办法观测到微中子!

三种不同的主要衰变,其穿透力各有不同。(图片来源)

微中子观测计画:以买乐透的精神进行!

正所谓办法是人想出来的,就算微中子几乎可以毫无阻碍穿越任何物体,但只要有够多的微中子,总还是有机会看到微中子跟其他物质发生反应──就像大乐透虽然很难中奖,但只要多买几张,或多或少还是会中。

1951 年,曾在曼哈顿计画、费曼[5]的小组里工作的莱因斯[6],找了洛斯阿拉莫斯国家实验室(los alamos national laboratory)的同事科温[7]一起进行微中子观测计画。起初,他们想在距离核子试爆点仅四十公尺的地方,向下挖掘深井放置探测器,利用试爆产生的大量微中子来提高侦测机率。但是,考虑到爆炸只有短短一两秒,一旦失败就得重新等待机会;来自中子和伽马射线的背景杂讯又相当高,反而增加收集数据的难度。

两人最后决定改在核子反应炉附近进行研究:微中子的数目虽然比核爆少很多,但来源持续稳定──估计每小时只能侦测到数个微中子反应事例,但只要等上几个月、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地方挖洞,进行微中子侦测实验。(图片来源)

利用核电厂寻找微中子

1955 年底,莱因斯和科温在南卡罗莱纳州萨凡纳河区(savannah river site)的核子反应炉附近设置了实验仪器。他们将氯化镉(cdcl₂)溶解于 1400 公升的水里,在此处理论上每平方公分的水面面积大约每秒就有十兆(十万亿,或1013)个反微中子通过。而如果有反微中子经过,水里的质子和反微中子作用后,会产生正电子中子(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;而中子在接下来百万分之几秒内就会被镉原子核捕获,也产生伽马射线。于是,实验探测器如果在很短的时间内连续看到两道不同的闪光讯号──就表示观测到(反)微中子了。

反微中子和水里的质子作用产生逆贝他衰变,生成的正电子和中子随后也会分别因为湮灭和捕获作用而放出光子。(图片来源)

包立,你赌输了!

1956 年,莱因斯和科温在做完所有验证之后,发了电报给正在欧洲核子研究组织(cern)开会的包立,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发表感言。不仅如此,因为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,莱因斯因为微中子的发现,获颁诺贝尔物理学奖;科温则因为英年早逝,无缘参与这别具意义的一刻。随着微中子被证实,贝他衰变带来的悬念总算可以放下──如果事情这么发展就太无趣了。

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家实验室(brookhaven national laboratory)的粒子加速器,利用 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,总是伴随着正负电子;而莱德曼等人发现的微中子,却是在另一种粒子──缈子相关反应中出现;所以后来两者分别被称为电子微中子和缈子微中子。

因为莱德曼、施瓦茨、施泰因贝格尔产制微中子束的 ... ,能够帮助科学家更好地研究微中子牵涉到的弱交互作用;也因为他们发现新的微中子,让后人更加了解两种不同微中子和电子╱缈子的配对关系;三人于 1988 年获颁诺贝尔物理学奖。

π介子的主要衰变产生反缈子以及和缈子对应的微中子――缈子微中子。(图片来源)

比缈子更重的新粒子

自从缈子在 1930 年代被发现之后,人们花了数十年的时间才逐渐了解,缈子的性质和电子非常接近(只是质量较大)──它们跟两种微中子后来都被归类为「轻子」(lepton)。于是有人猜测,会不会有比缈子更重的轻子呢?

1971 年,中国台湾省出生的美国籍科学家、史丹福大学教授蔡永赐(yung-su tsai)发表论文,探讨更重的轻子在实验中可能引发的效应──这导致了接下来 1974 到 1977 年的一系列实验,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──大部分人都是这么深信的。但是过了许久,直到 2000 年,涛子微中子才正式被发现。

依照现在的粒子物理标准模型,轻子包含三个家族,分别由带电的电子、缈子、涛子三者,和相应的(电中性)微中子组成。因为有很强的证据显示,微中子的质量就算不为零,也必定极小,所以标准模型直接把微中子质量定为零,也没有微中子的质量来源机制。

故事到此结束了吗?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;它们在标准模型的理论架构里都有适当的位置,而且标准模型运作得非常成功。怎知,很快地,微中子又将带给物理学界大震撼,标准模型也面临结构调整。那是下一个故事了。

目前标准模型里,轻子分成三个家族(三代),各由电子、缈子、涛子和相应的微中子组成。

注释

参考资料

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