微中子與振盪

微中子的預言與首次偵測(neutrino postulate and first detection)

20 世紀 20 年代,物理學家面對一個令人不安的謎題。在一種叫貝塔衰變的放射性衰變裡,原子核吐出一個電子,而這個電子的能量本應總是一樣——可它出來時卻帶著一整段範圍的不同數值。看上去能量好像憑空消失了,而這會擊碎物理學中最深刻的定律之一。出了大問題。

1930 年,沃爾夫岡·包立做了一個大膽的猜測:也許那些丟失的能量被同時放出的第二個看不見的粒子帶走了——一個不帶電、幾乎沒有質量的粒子,悄無聲息地溜出了探測器。他幾乎是帶著歉意提出這個想法的,稱之為「孤注一擲的補救」,因為一個交互作用如此微弱的粒子,似乎永遠不可能被偵測到。恩里科·費米很快給它起名微中子,在義大利語裡意為「小小的中性者」,並把它納入了一套成功的貝塔衰變理論。在此後幾十年裡,它始終是一個絕妙的想法,卻沒有直接的證據。

證據終於在 1956 年到來。克萊德·考恩和弗雷德里克·萊因斯把他們的偵測器停在一座強大的核反應爐旁邊——那裡有一股反微中子的洪流——守候著罕見的閃光:當一個反微中子撞上一個質子時,會產生一個標誌性的雙重信號。他們捕捉到了。包立的幽靈是真實的。這段歷史是物理學的一個里程碑:一個純粹為拯救守恆律而發明、連發明者自己都心存疑慮的粒子,在四分之一個世紀後得到了證實,而微中子從那以後就一直在帶來驚喜。

考恩和萊因斯尋找的是一記精確的「連環拳」:反應爐的反微中子擊中一個質子,瞬間產生一個正電子(隨即湮滅成兩個光子)和一個中子(稍後被俘獲,再放出更多光子)。只有這種精確定時的成對信號才可能是微中子,從而把信號從背景中分離出來。

一個先正電子、後中子的定時特徵,於 1956 年確認了第一個微中子。

萊因斯和考恩實際偵測到的是來自反應爐的電子反微中子;緲子微中子(1962 年)和陶子微中子(2000 年)作為不同的粒子被確認要晚得多。

又稱
Pauli's postulateReines-Cowan experiment泡利假说莱因斯-考恩实验