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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——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。

在众多的探讨中微子的实验方案中，中国物理学家王淦昌提出的方案格外引人注意。他在40年代初从中国的抗战大后方向美国《物理评论》杂志提交了一篇简短的论文，建议把普通β衰变末态的三体，变为K俘获的二体，就有可能间接观测到中微子的存在。他还特别指出，可取Be→Li作为实验对象。这一建议立即受到实验物理学家的重视。1952年美国的戴维斯果然用这一方法取得了与理论预期值相符的实验结果，初步肯定了中微子的客观存在。

就在这个时候，直接捕捉中微子的工作也开始了。1953年美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）科学实验室的莱因斯和考恩（ClydeL.Cowan，Jr）领导的实验小组按下列方案探测到反中微子：

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莱因斯和考恩为了防止误判的出现，采用了同时探测中子和正电子的方法。来自反应堆裂变产物的反中微子，射入掺有大量氯化镉（CdCl2）的水靶箱中（图95－1）。在0.2μs内正电子必与电子相遇而湮灭，同时发出γ光子，γ光子被两侧的闪烁器符合地探到。光子总能量估计约为9MeV。中子则受到水的慢化，被镉核俘获。

莱因斯和考恩的设计思想颇为巧妙，考虑到中子在产生后最多在10μs内会被俘获，专门设计了延迟符合计数器。

他们的实验装置如图95－2，其核心是一组三明治式的多层结构，由两个水靶箱A、B和三个大型液体闪烁器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ构成。中间探测器共用，组成两套结构。整个实验装置安装在铅室中屏蔽，以防外界干扰。

经过周密准备和认真测试，实验小组在预期的能量范围和时间间隔内，得到了肯定的结果。中微子这个充斥宇宙的“幽灵”终于被捕捉到了。

佩尔也是美国科学院院士，1955年在哥伦比亚大学取得物理学博士学位，后到斯坦福大学直线加速器中心（SLAC）任职，曾参与里克特领导的实验小组

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并一起发现J/ψ粒子。1966年SLAC在3km（2英里）长的直线加速器上组织实验，试图从高能电子与靶核的碰撞中发现新的粒子，但没有得到任何结果。1972年SLAC在直线加速器近旁建造了一座正负电子对撞机，取名为SPEAR（Stanford PositronElectron Accumulator Rings）。存储环直径约80m。直线加速器提供的正负电子束注入存储环后，在磁场的作用下以相反的方向绕环道运行，最后在指定的地点作对头碰撞。佩尔领导的实验小组在这台设备上从1974年—1977年进行了一系列实验，终于在4GeV能区发现了一个比质子重两倍，比电子重3500倍的新粒子，其特性类似于电子和μ子。经过反复检验，证明是在电子和μ子之外的又一种轻子。新的轻子以希腊字母τ表示，取自Triton（氚核）的第一个字母。

佩尔小组最初得到的迹象是在一万个各种类型的事例中，找到24个电子-μ子事件，可以用下列式子表示：

电子＋正电子→电子＋反μ子＋（i.p.） 电子＋正电子→正电子＋μ子＋（i.p.）

式中（i.P.）代表不可见的粒子，在探测器中不留任何痕迹。探测器只能记录下电子（或正电子）及电荷符号相反的反μ子（或μ子）。他们这样解释上述过程（图95－3）：

正负电子对撞后，先产生的是一对重轻子，即后来命名的τ子。他们设想这对正反τ子衰变得极快，离开碰撞点不到几毫米就衰变掉了，因此难以观测到。观测到的是电子和μ子，说明正负τ子衰变成了电子（正电子）或μ子（反μ子）。但是又由于衰变过程中轻子数必定守恒，在反应中除了电子中微子（或μ子中微子）还应有τ子中微子参与。于是反应的衰变产物应为：

τ子→电子（或μ子）＋几个中微子， τ子→反μ子（或正电子）＋几个中微子

于是从检测器得到的结果就有可能是图95－3的样子。当然，中微子是看不见的，只能根据能量和动量的计算作出判断，所以，图中中微子的轨迹是虚线。

重轻子的发现不仅增添了人类关于基本粒子的知识，在理论上也有重大意义。下面我们来简单回顾一段历史。

1964年盖尔曼等人提出夸克模型理论，在粒子物理学的发展中是一个飞跃。这个理论认为所有的重子都是由三个夸克构成，介子则是由一个夸克和一个反夸克构成，很好地解释了各种重子和介子的性质。夸克模型理论预言的Ω-粒子，很快得到实验的证实，但在研究强子的弱作用时遇到了困难。1970年格拉肖等人提出GIM模型理论，根据夸克和轻子的弱相互作用有相似的特点，认为它们之

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间有对称性，四种轻子（电子、μ子、电子中微子、μ子中微子及其反粒子）应该对应于四种夸克，并预言了第四种夸克的特性，取名为粲夸克。1976年丁肇中和里克特发现了J/ψ粒子，J/ψ粒子可以解释为粲夸克与反粲夸克组成。这一发现对GIM模型理论当然是一有利的判据。

然而就在第二年佩尔小组发现了第三代轻子（τ子、τ子中微子及其反粒子组成第三代轻子）。于是人们进一步设想，夸克也应有第三代，并根据这一对称性建立起标准模型理论。第三代夸克分别取名为底夸克和顶夸克。1977年发现的γ粒子，揭示了底夸克的存在。顶夸克直到1994年才由费米国家实验室找到。

中微子和重轻子的发现使人们对于微观世界的认识大大跨越了一步。但是人类对物质世界的认识是没有止境的。还有没有第四代基本粒子，很难作出预言。这是物理学尚未解决的问题，如果还有，标准模型理论又要作重大修改。

诺贝尔物理学奖再次授予粒子物理学家，说明这一领域在整个科学技术中的地位进一步得到了社会的承认。粒子物理学不但为人们提供了重要的对物质世界的认识，使人类掌握自然界更深层次的规律，而且这种认识对于其它学科也有深远影响。

这次诺贝尔物理学奖又一次授予实验物理学家，说明实验在物理学，特别是粒子物理学中的作用。50年代以来，粒子物理学取得了丰硕的成果。这首先应归功于一系列高能实验装置的运行，尤其是各种类型的对撞机，大大地提高了有效作用能量，再加上多种多样探测器的发明和改进，使产生和探测新能区的粒子成为可能。大规模实验室的建立和科学家集体的合作，实验技术的提高和实验方法的完善，为发现各种新粒子提供了保证。

下面简单介绍两位诺贝尔物理学奖获得者的生平。 佩尔1927年生于美国纽约。他的父母是犹太人，大约在1900年为了逃避贫困和反犹太主义，从俄国（原波兰领土）举家迁移到美国，在美国的贫民窟里定居。由于经营印刷业和广告公司，逐渐上升为中产阶级，才得以让佩尔进入较好的学校接受教育。父母认识到移民只有靠知识和文化才能在美国社会中立足，所以非常重视子女的教育。佩尔也很争气，努力学习，在学校表现很好。1942年16岁就从高中毕业，中间跳了两级。他酷爱读书，什么书都读，每次去公立图书馆，都要借满六本书回家。然而，父母不赞成他把时间都花在书本上，要他多做户外运动，因为一个真正的美国孩子是很爱运动的，他们希望佩尔成为100％的美国人。所以佩尔特别喜欢下雨天，这样就可以留在家里读书。

有两本书对佩尔特别有吸引力。一本是《大众数学》，他从这里学到了微积分。另一本是《大众科学》。为了省钱，他没有买这两本书，而是一次一次地借来读，详细作笔记。他对机械也很有兴趣，读过许多这方面的杂志和书籍。

佩尔深知一个移民要在美国社会不受歧视，就要设法找到一个好的职业。例如当律师和医生等等。他没有敢想要做一名科学家，但他又不愿当律师和医生，于是在高中毕业时，选择了化工专业，进了布鲁克伦（Brooklyu）多科工业学院。不久第二次世界大战爆发，学业暂停，佩尔因年纪不够，暂不能入伍，于是加入商船学校当学员，后来还是当了一年的兵，返回学校后于1948年以优异的成绩取得了学士学位。在学院里学到的机械、化学实验技术等等知识对后来的实验工作非常有用。

毕业后，佩尔进入通用电气公司，经过一年培训，分配在纽约的电子管部当化学工程师，解决生产电子管过程中的技术问题，有些也涉及电视显像管的生产。为了解决电子管中栅极发射之类的问题，佩尔有时到大学里去学习有关的课程，

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其中包括原子物理学和高等微积分。此时，佩尔已经23岁，他决心开始学习物理。

1954年，佩尔进入哥伦比亚大学物理系研读物理博士，那里有名师拉比教授。佩尔的博士论文是用原子束共振方法测量钠核的四极矩。原子束共振是拉比首创的方法，已经取得了丰硕成果。拉比并没有手把手地教他实验技术，而是指导他选择合适的研究课题，这是最重要的。当佩尔做出结果并急于发表时，拉比听说法国人用光学共振方法做出了类似的测量。就写信去询问。七八个星期过去了，来自法国的复信告诉拉比，那里确实得到了同样的答案，拉比这才让佩尔发表结果。这件事对佩尔很有教育意义。耽误一点时间不要紧，要紧的是不要出错。与其争第一个没有把握的发表结果，不如第二个发表正确的结果。

拉比经常强调要重视基础研究，他推荐佩尔到基本粒子物理部门工作。1955年佩尔获得博士学位，在密执安大学找到职位。在那里他和格拉塞一起从事气泡室工作。1957年苏联卫星上天，美国急切地要加强尖端科技。佩尔利用这一时机，向华盛顿建议用发光室和火花室进行基本粒子研究。他的计划得到批准，从而发现了τ轻子。

莱因斯1918年3月16日出生于美国新泽西州的佩特森（Paterson），父母也是俄国移民，定居纽约州的一个名叫希尔班（Hilburn）的小镇上，以经营乡间百货店谋生。他小时酷爱歌唱和音乐。记得有一次在宗教仪式上闲得不耐烦，就用手指弯成环形，像一个望远镜筒一样套在眼睛前面，观看窗外昏暗的景色，他发现景色出现条纹，原来是发生了光的衍射。这是他第一次接触到光的神奇。在中学时他是一个好学生，科学教师对他特别欣赏，把实验室的钥匙交给他，让他自己到实验室里去做任何想做的实验。在高中时，莱因斯曾经负责编辑学生年鉴，他在年鉴上为自己加了一条特殊的按语：“立志成为优秀的物理学家！”

1939年莱因斯在斯特文斯（Stevins）学院获工科学士学位，1941年在斯特文理工学院获数学物理硕士学位。然后进入纽约大学当博士研究生。在考夫（S.A.Korff）教授指导下研究实验宇宙线物理，在普雷申特（R.D.Present）教授指导下做博士论文，题目为：“核裂变的液滴模型”。1944年莱因斯还未取得博士学位就应聘来到洛斯阿拉莫斯科学实验室，参加费因曼领导的理论物理部并从事曼哈顿计划，第二年即被任命为理论部一个组的组长，后来担任操作仓主任，并与纽曼（J.V.Neumann）合作，研究空气冲击波。他在这个实验室工作前后长达15年。1958年担任日内瓦和平利用原子能会议的代表。

1951年莱因斯学术休假，他利用这个机会认真考虑未来的工作，决定尝试对中微子进行观测。他的方案早在1947年就已想出，只是没有条件付诸实践。于是他和考恩合作，向华盛顿提出经费申请。他们本来要利用原子弹试验获得中微子源，不过后来还是决定采用华盛顿州汉福德（Hanford）的核反应堆。1953年汉福德的结果得到了初步的迹象之后，惠勒（J.Wheeler）告诉他们，在南卡罗来纳州新建成的萨瓦纳河（Savannah River）反应堆条件可能更好些。1955年莱因斯和考恩转到那里做实验，1956年即观测到了电子型反中微子。不久考恩离开洛斯阿拉莫斯，两人的合作自然结束。莱因斯一度把注意力转向γ射线天文学，随即在萨瓦纳河又开始了一连串研究中微子特性的实验。

莱因斯1959年离开洛斯阿拉莫斯到俄亥俄州凯斯理工学院当物理系主任。在凯斯的七年里，莱因斯建立了一个小组专门研究反应堆中微子物理学、双β衰变、电子寿命以及核子衰变等问题。这一实验计划的最初目标是查明中微子的特性和探试基本对称性原理和诸如电荷、重子数、轻子数守恒之类的守恒定律的

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