中微子的预言与首次探测(neutrino postulate and first detection)
20 世纪 20 年代,物理学家面对一个令人不安的谜题。在一种叫贝塔衰变的放射性衰变里,原子核吐出一个电子,而这个电子的能量本应总是一样——可它出来时却带着一整段范围的不同数值。看上去能量好像凭空消失了,而这会击碎物理学中最深刻的定律之一。出了大问题。
1930 年,沃尔夫冈·泡利做了一个大胆的猜测:也许那些丢失的能量被同时放出的第二个看不见的粒子带走了——一个不带电、几乎没有质量的粒子,悄无声息地溜出了探测器。他几乎是带着歉意提出这个想法的,称之为'孤注一掷的补救',因为一个相互作用如此微弱的粒子,似乎永远不可能被探测到。恩里科·费米很快给它起名中微子,在意大利语里意为'小小的中性者',并把它纳入了一套成功的贝塔衰变理论。在此后几十年里,它始终是一个绝妙的想法,却没有直接的证据。
证据终于在 1956 年到来。克莱德·考恩和弗雷德里克·莱因斯把他们的探测器停在一座强大的核反应堆旁边——那里有一股反中微子的洪流——守候着罕见的闪光:当一个反中微子撞上一个质子时,会产生一个标志性的双重信号。他们捕捉到了。泡利的幽灵是真实的。这段历史是物理学的一个里程碑:一个纯粹为拯救守恒律而发明、连发明者自己都心存疑虑的粒子,在四分之一个世纪后得到了证实,而中微子从那以后就一直在带来惊喜。
考恩和莱因斯寻找的是一记精确的'连环拳':反应堆的反中微子击中一个质子,瞬间产生一个正电子(随即湮灭成两个光子)和一个中子(稍后被俘获,再放出更多光子)。只有这种精确定时的成对信号才可能是中微子,从而把信号从本底中分离出来。
一个先正电子、后中子的定时特征,于 1956 年确认了第一个中微子。
莱因斯和考恩实际探测到的是来自反应堆的电子反中微子;缪子中微子(1962 年)和陶子中微子(2000 年)作为不同的粒子被确认要晚得多。