诺奖委员会的错误:幽灵粒子是如何现身的?

发布: | 发布时间:2019-08-6,星期二 | 阅读:170

撰文 | 施   郁(复旦大学物理学系教授) 责编 | 夏志坚

图源:Wikipedia

导 读

中微子在理论上被确立之后,寻找中微子道路上的首个突破来自王淦昌,他在1941年提出间接证明中微子存在的方法,在1952年先后被阿仑和戴维斯实现。1956年,雷纳斯和科万从核电站的原子核反应堆首先发现了中微子,不过与2015年诺奖文件的说法相反,他们的工作与彭蒂科沃无关。1957年,李政道和杨振宁首先指出,宇称不守恒使得中微子被探测的概率加倍,1969年雷纳斯和科万证明了这一点。1967年,戴维斯用彭蒂科沃的方法探测到太阳发出的中微子,并发现太阳中微子缺失。雷纳斯和科万以及戴维斯走上寻找中微子的漫长道路,都是因为要寻找一个长期致力的崭新领域,他们最终等到了成功。

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1中微子与β衰变

1956年7月,雷纳斯和科万在美国《科学》发表了一篇短文宣布中微子的发现,距今整整63年。

中微子是很重要的基本粒子,1930年首先由泡利预言 [1]。名称“中微子”(neutrino)来自费米。1932年,海森堡提出原子核由质子和中子组成,而质子和中子可以看成同种粒子的两种状态。1934年,费米吸取海森堡的想法,推广狄拉克的量子电动力学,提出β衰变理论,认为β衰变的本质是中子转化为质子、电子和中微子(实为反中微子,当时还不知道有正反之别)。因此中微子并不是原子核的组分,而是来自原子核中的中子的β衰变。这是一个划时代的贡献,为物理学家建立了这样一个图像:在量子场中,粒子不断地产生和消灭。当然这也是费米对于中微子物理的主要贡献,远超过为中微子命名这件小事。

在量子论早期,爱因斯坦和玻尔就提出,电子在原子中不同能级的跃迁伴随光子的产生和吸收。1926年,玻恩、海森堡和约当在为量子力学奠基的同时,也提出电磁波的量子化,这就是光子。狄拉克在1927年提出电磁场中的原子产生和吸收光子的理论,1928年又提出电子的相对论波动方程(狄拉克方程),创立了量子电动力学。同年,约当和维格纳将场的量子化(又叫二次量子化)推广到电子(服从泡利不相容原理)。1929年,海森堡和泡利提出量子场论的基本方法。

但是只有在费米β衰变理论之后,量子场论才成为真正的物理理论,成为粒子物理的理论框架。费米β衰变理论是弱相互作用理论的开端。费米同时也是一位实验物理学家,因为中子导致核反应的实验工作获得诺贝尔奖。费米的风格深刻影响了在他之后的物理学的发展。费米本人认为β衰变理论是他对理论物理最重要的贡献。1970年代,杨振宁与维格纳(Eugene P. Wigner)曾有过如下对话 [2]。

杨振宁:你认为费米在理论物理中最重要的贡献是什么?

维格纳:β衰变理论。

杨振宁: 怎么会呢?它已被更基本的概念所取代。当然,他的β衰变理论是很重要的贡献,它支配了整个领域四十多年。它把当时无法了解的部分置之一旁,而专注于当时能计算的部分。结果是美妙的,并且和实验结果相符。可是它不是永恒的。相反,费米分布才是永恒的。

维格纳:不然,不然,你不了解它在当时的影响。冯·诺依曼和我以及其他人曾经对β衰变探讨过很长时间,我们就是不知道在原子核中怎么会产生一个电子出来。

杨振宁:不是费米用了二次量子化的ψ后大家才知道怎么做的吗?

维格纳:是的。

杨振宁:可是是你和约当首先发明二次量子化的ψ。

维格纳:对的,对的,可是我们从来没有想到过它能用在现实的物理理论里。

虽然费米的β衰变理论使得人们对中微子的存在深信不疑,但是中微子直到1956年才首次被直接探测到,原因是中微子与其他粒子(称为靶粒子)的作用非常弱。有一个定量指标叫做截面,它乘以一段时间内单位面积上的入射中微子数目,就得到这段时间内每个靶粒子与中微子反应的平均次数(当然小于1)。费米理论刚提出后,贝特(Hans Bethe)和派尔斯(Rudolf Peierls)就估算出中微子的截面只有10-44(意思是0.0…01,小数点后面有43个0)平方厘米,这意味着一个中微子可以在液态氢中自由运动1000光年,也就是说被探测到的概率几乎可以忽略不计 [3]。所以中微子俗称 “幽灵粒子”。  

2王淦昌提出间接探测中微子的方法

虽然中微子很难被直接探测,但是人们可以利用能量守恒,间接证明它的存在。1941年,在迁至贵州湄潭的浙江大学,王淦昌提出这个方法 [4]。这是寻找中微子道路上的首个突破。李炳安和杨振宁曾仔细研究过王淦昌方法的前因后果 [5]。

王淦昌的方法是基于:铍7(铍的放射性同位素,由4个质子和3个中子组成原子核)俘获K壳层的电子(原子中最靠近原子核的电子轨道)而成为锂7时,同时放出一个中微子。这个过程本质上是:质子+电子→中子+中微子。因为反应前后能量和动量守恒,所以对于有两个反应产物的情况,锂7和中微子的动能都是唯一确定的,叫做单能。测量锂7的动能(又叫反冲能),就可以确定中微子的能量,证明中微子的存在。

但是在实际的实验过程中,由于样品厚度和孔径效应,导致存在若干不同动能的锂7原子核,做不到单能。王的文章发表几个月后,阿仑(J. S. Allen)及其助手最早做了铍7的K电子俘获实验,但是测量的锂7动能不是单能的。1950年,当时在伊利诺伊大学的阿仑及其助手改进了这个实验,但是仍然不是单能的 [6]。1952年,阿仑和助手发表了氩37俘获K电子而成为氯37的实验,测量到了单能的氯37  [7],因此首次成功实现王淦昌的方法,证明中微子存在,虽然用的不是铍7。在此之后一个多月,美国布鲁克海文国家实验室的戴维斯(Ray Davies)发表了铍7的K电子俘获,测量到了单能的锂7 [8]。戴维斯在2002年的诺贝尔奖演讲中提到自己被阿仑赶超,但是引用了后者1950年的实验 [9]。其实那个实验还不是单能的,戴维斯本人首先实现了铍7的单能实验,但是一个多月前阿仑用氩37实现了单能实验。 

值得注意的是,王淦昌提出的方法只是用来间接证明中微子的存在,而无论是雷纳斯和科万后来探测到核反应堆中微子,还是戴维斯后来探测到太阳中微子,都是直接探测,这才算是中微子的发现。

32015年诺奖文件关于中微子发现的错误说法

2015年诺贝尔物理学奖授予了梶田隆章(T. Kajita)和麦克唐纳(A. B. McDonald),“以表彰他们发现了中微子振荡,中微子振荡表明中微子有质量” [10]。官方文件谈到了中微子最初的发现 [11]:

“1950年代初,雷纳斯(F. Reines)和科万( C. L. Cowan Jr.)在彭蒂科沃(B. Pontecorvo)的鼓励下,在南卡罗来纳州萨瓦纳河核反应堆开展了一个决定性的实验”。

这个官方文件的参考文献中有一本中微子专著 [12],其中有段话很可能就是诺贝尔奖官方文件说法的来源:

“1950年代,特别是在彭蒂科沃的敦促下,雷纳斯和科万寻找一个方法来测量逆β衰变,在这之中可以通过反中微子产生正电子”。  

这个说法是错误的,雷纳斯和科万的工作与彭蒂科沃毫无关系[13]。但是这里为什么会出现彭蒂科沃名字呢?

雷纳斯(左)和科万(右)。 图源:Wikipedia

4彭蒂科沃及其同事最早想出直接探测中微子的方法

彭蒂科沃是意大利犹太人,是费米在罗马时期的学生,也是1934年费米发现慢中子轰击引起放射性的小组成员。1936年,彭蒂科沃去了法国巴黎,加入约里奥·居里的实验室,并成为共产党员。1940年,纳粹德国入侵法国时,彭蒂科沃逃往美国。1943年,他加入加拿大的乔克河(Chalk River)实验室,这里有英国和加拿大合作的核反应堆。

1945年,在乔克河实验室,彭蒂科沃和同事想到用含有四氯化碳的清洁液来捕捉核反应堆大量产生的中微子 [13,14]。虽然每个中微子的截面很小,但是同时对大量的中微子进行探测,就很可能探测到。从数字上理解,可忽略不计的截面大小1044 如果乘以巨大的粒子数1044,就可以得到1。简单地说,就是以多取胜。

鲜为人知的是,彭蒂科沃的想法是在与同事盖龙(Jules Guéron)以及弗里希(Otto Frisch)讨论下形成的。盖龙建议使用四氯化碳,并注意到反应产物中有放射性氩。彭蒂科沃和弗里希提出,因为氩是惰性元素,可以通过烧开液体而提取。普赖斯(Maurice Price)提出另一个重要想法,太阳可以产生大量中微子,虽然只有很少部分到达地球。

所有这些想法都写在1945年的一份保密报告中,其中普赖斯关于太阳中微子的想法写在脚注中。今天,核反应堆和太阳都是主要的中微子源,中微子天文学的起源也可追溯到太阳中微子的想法。

1946年,乔克河实验室召开了一个会议,会后彭蒂科沃写了另一篇报告,描述这些想法,题为 “逆β衰变”[15]。这里的逆β衰变是指:中微子+中子→质子+电子。

在这篇文章中,彭蒂科沃没有提那几位合作者。后来这篇文章变得很有名,但是那几位合作者的贡献不为人知。比如,2002年,戴维斯(Raymond Davies)在诺贝尔奖演讲中说[9]:

“有两个潜在的中微子源:核裂变反应堆和太阳,这两个可能性都是由彭蒂科沃1946年建议的。”

克莱恩(H. R. Crane)在他1948 年关于中微子的综述文章中指出 [16]:

“自从链式反应堆出来以后,物理学家在谈论使用反应堆中产生的大量中微子来检验逆β衰变过程。因此如果这种实验现在没有在某个或者某几个政府实验室中进行,将会令人惊讶。”

但是在克莱恩的这篇文章中,笔者没有找到彭蒂科沃被直接或间接提到的词句,也许因为他1946年的报告依然是保密的。确实,戴维斯在诺贝尔奖演讲中说:

“彭蒂科沃1946年的报告来自加拿大乔克河实验室,被美国原子能委员会列为保密文件,因为担心这种方法也许会用来测量反应堆的输出功率。”

1949年,彭蒂科沃转到英国研制原子弹的哈维尔(Harwell)实验室。1950年,在意大利度假期间,全家失踪。5年后,彭蒂科沃在苏联召开记者招待会。关于他“叛逃”苏联,公开的说法是因为意识形态的原因,但是种种迹象表明彭蒂科沃是苏联间谍 [14,17]。

5雷纳斯和科万最早探测到反中微子

雷纳斯和科万是美国洛斯阿拉莫实验室(原子弹的诞生地)的实验物理学家,最早从核反应堆找到了中微子(准确地说,是反中微子)。雷纳斯和科万并不知道彭蒂科沃及其同事的中微子研究,他们俩自己也想到以核反应堆作为中微子源。他们1951年开始实验,1956年成功。1995年雷纳斯获得诺贝尔奖,而科万1974年就去世了。

事实上,鼓励雷纳斯和科万探测中微子的正是费米。雷纳斯在几篇文章中说过这个情况,包括他1995年的诺贝尔奖演讲 [3]。从战时到战后,雷纳斯在洛斯阿拉莫斯实验室从事原子弹测试,但是他希望利用原子弹对基础物理作出贡献。他认为原子弹是最好的中微子源,可以利用原子弹爆炸产生大量中微子。1951年夏天他与费米讨论,费米同意原子弹是最好的中微子源,但是他们都想不出怎么探测。

后来雷纳斯和科万用一大箱液体(氯化镉和水),来寻找反应:中微子+质子→中子+正电子。今天看来,其中的中微子实际上应该是反中微子。反应所产生的正电子会与水中的电子发生湮灭,产生光子,从而被光电倍增管探测到。费米对他们的计划表示赞同。

显然雷纳斯和科万的工作与彭蒂科沃毫无关系,方法也与彭蒂科沃的建议不一样。彭蒂科沃是建议寻找反应:中微子+中子→质子+电子。雷纳斯和科万是受到费米的鼓励,而不是2015年诺奖资料所说的“彭蒂科沃的敦促”。他们进行这项工作的时间是1951年到1956年,而彭蒂科沃1950年就失踪了,5年后才在苏联公开出现。  

雷纳斯和科万原本计划用原子弹爆炸作为中微子源。后来贝特问他们如何区分中微子信号与原子弹导致的其他信号,他们想到,用产物正电子与中子的延迟符合来确认中微子作用,这可以大大降低背景信号。然后他们意识到,这个方法可以使用稳定的核反应堆作为中微子源。他们写信告诉费米,费米回信说这还有一个优点,可以随意重复实验。他们先是用汉福特的一个反应堆,后来在惠勒(John Wheeler)的建议下,1955年搬到萨瓦纳河核电站。1956年6月,他们成功了!1956年7月,雷纳斯和科万在《科学》发表了一篇短文公布了实验结果 [18]。

6戴维斯没有从反应堆探测到中微子

戴维斯最初试图用氯水探测来自核反应堆里的中微子(寻找反应:中微子+中子→质子+电子),而这个方法就是最早由彭蒂科沃及其同事提出的。这个方法没有成功,因为核反应堆产生的是反中微子。

戴维斯。图源:Wikipedia

雷纳斯和科万,以及戴维斯,都曾试图用不同的方法从萨瓦纳河核反应堆中寻找中微子。核反应堆出来的是反中微子,所以会与雷纳斯和科万准备的液体发生反应 “反中微子+质子→中子+正电子”,正电子与水中的电子发生湮灭,产生光子,所以引起他们的光电倍增管发出信号,所以雷纳斯和科万成功探测到了反中微子,虽然他们最初并不知道正反中微子之别。

而戴维斯没有探测到中微子。他后来在2002年诺贝尔奖演讲中回忆道 [9]:

“1951年,我开始做一个放射化学的实验,用彭蒂科沃1946年的方法探测中微子:氯37+中微子→氩37+电子。彭蒂科沃的短文章很详细,他的方法,即通过烧开四氯化碳来去掉氩,并在一个充气容器里计数氩,与我最后使用的方法有很多相似之处……1954年,我在萨瓦纳河核反应堆的某个地下室用3800升四氯化碳做了试验装置。”

他还说:

“那时还不清楚中微子和反中微子是不同的粒子,也不清楚如何不同。毕竟自然界还有其他粒子与反粒子相同的粒子,比如光子和π0。”

可见戴维斯的实验装置寻找的信号是氩。但是事实上,反应堆出来的是反中微子,不能和氯反应产生氩。所以戴维斯没有探测到中微子。但是他的零结果也有积极的意义,因为这证明了,中微子不是自己的反粒子,否则反应堆出来的反中微子同时也就是中微子,那么就可以与氯反应产生氩。

7李政道和杨振宁发现中微子截面加倍

1956年10月1日,李政道和杨振宁的论文提出弱相互作用可能宇称不守恒,1957年初吴健雄等人实验证明确实宇称不守恒。接着,李政道和杨振宁发表了中微子的二分量理论,指出,因为宇称不守恒,每个运动方向的中微子只有一个方向的自旋,叫做手性,中微子和反中微子的手性相反,中微子总是左旋,反中微子总是右旋。他们特别指出,这导致截面应该是原来结果的2倍 [19]。杨振宁最近告诉笔者:

“我自豪某个深夜在写这篇文章时意识到这个2倍。”

1959年至1960年,雷纳斯、科万和合作者在《物理评论》发表了几篇详细论文,其中的中微子截面是最初结果的2倍 [20]。1979年,雷纳斯说,当初对于探测器效率估计过大[21]。

雷纳斯在他的诺贝尔奖演讲中说:

“正如我们几年后从李和杨那里得知的,因为宇称不守恒和中微子的手性,截面应该要加倍。”

1951年,雷纳斯和科万以及戴维斯在开始反应堆实验时,都不知道中微子和反中微子不同。雷纳斯在诺贝尔奖演讲中也说过:

“那时候人们不知道中微子和反中微子不同。”

1953年,Konopinski 和 Mahmoud 从理论上提出中微子和反中微子的区别 [22]。用现在的语言说,二者的轻子数与电子和正电子分别相同,分别为1和-1。基本粒子过程必须满足轻子数守恒,这就解释了上面提到的各种过程能否发生。笔者注意到,雷纳斯和科万在1956年发表的论文中的中微子符号有个下标“-”,可能是代表反中微子,但是在行文中没有说明。他们1959年至1960年的文章中明确写明了反中微子。笔者判断,雷纳斯和科万的探测成功以及戴维斯的零结果促成中微子-反中微子的轻子数之别广为接受,而李政道和杨振宁的理论则表明了二者的手性之别。

8戴维斯最早探测到太阳中微子及其缺失

“东边不亮西边亮”,戴维斯后来用氯水探测到太阳发出的中微子,因为太阳发出来的不是反中微子,而确实是中微子,所以与氯反应产生氩。

1950年代后期到1960年代初期,人们对太阳内部核反应的认识逐步提高。1963年,巴考(John Bahcall)发现太阳内部的核反应发出的中微子比以前认为的高20倍。同时戴维斯测量了宇宙线中的缪子本底。缪子通过一系列过程,也会导致氯转化为氩,干扰中微子信号,相当于噪声。戴维斯由此知道,中微子探测器需要放在地下多深。在同一期《物理评论》上,巴考与戴维斯背靠背发表论文,标题分别是《太阳中微子. I. 理论》和《太阳中微子. II. 实验》。

所以布鲁克海文实验室在南达科他(South Dakota)的霍姆斯特克(Homestake)金矿建造了一个十万加仑的氯-氩中微子探测器,来探测太阳中微子。为了给这个实验提供数据,加州理工的富勒(William Fowler)等人测量了相关核反应的中微子产生截面。霍姆斯特克的实验于1967年开始,当年6月22日开始采集数据——探测器测量到了中微子。

但是实验结果从一开始就比理论预言的少,只有巴考根据标准太阳模型所做预言的三分之一。这就是所谓的太阳中微子缺失。经过30多年的实验数据收集和太阳模型的改进,实验结果确定为2.56SNU,标准太阳模型的理论预言确定为7.6SNU。SNU是太阳中微子探测的单位,定义为每秒每1036个靶原子俘获一次中微子。

1959年,在苏联杜布纳实验室,彭蒂科沃提出缪子型中微子不是电子型中微子 [23]。斯坦伯格(Jack Steinberger)与莱德曼(Leon M. Lederman )、施瓦兹(Melvin Schwartz)在1962年的实验中证明了这一点,由此获得1988年诺贝尔物理学奖。彭蒂科沃1993年在杜布纳去世,他在罗马的墓碑上刻着“缪子型中微子不是电子型中微子”的符号。1968年,彭蒂科沃又提出中微子振荡,即缪子型中微子和电子型中微子的转化,以此解释了太阳中微子缺失 [24]。  

彭蒂科沃在罗马的墓碑,符号意思是“缪子型中微子不是电子型中微子”。图源:Wikipedia

1999年,小柴昌俊领导的神冈实验验证了太阳中微子缺失。所以戴维斯和小柴昌俊因为 “宇宙中中微子的探测” 而各获四分之一诺贝尔物理学奖(Riccardo Giacconi 因为发现宇宙X射线源而获得另一半)。2015年,因为证明了中微子振荡,领导超级神冈实验的梶田隆章和领导萨德伯里中微子观测台的麦克唐纳分享诺贝尔物理学奖。2012年,大亚湾中微子实验合作组用大亚湾核电站反应堆产生的反中微子精确测量了中微子振荡的一个参数。

大亚湾中微子探测器。图源:Wikipedia

9三位发现者如何走上寻找中微子的道路

最后我们谈一下,雷纳斯和科万以及戴维斯如何走上寻找中微子的道路 [3,9]。

1948年,戴维斯加入布鲁克海文实验室化学部,他问部主任要他做什么。主任要他去资料室寻找有趣的课题。戴维斯找到克莱恩的中微子综述文章,由此找到了他工作一生的课题。在诺奖演讲中,戴维斯感叹,他被鼓励做自己想做的事,还有工资,是多么的幸运!

1951年,雷纳斯希望思考如何做点基础物理研究,为此专门请了假。他在一个空办公室里,盯着一个空白笔记本,思考了几个月,寻找一个值得付出一生的工作。最后终于想出,利用原子弹探测中微子。后来他又与科万说:“我们做个有挑战性的问题吧。” 科万建议研究正负电子偶素(由正负电子结合而成)。雷纳斯说别人已经做得很好,建议研究中微子。科万说:“伟大的想法。” 

1956年6月14日,雷纳斯和科万发了一份电报给当时正在CERN(欧洲核研究组织)开会的泡利 [3]:

“我们高兴地告知您,我们确定通过观测质子的逆β衰变,从裂变产物中探测到了中微子。观测到的截面很好地符合所期待的6×10-44平方厘米。”

泡利打断会议宣布了这个结果,又与朋友用香槟酒祝贺。泡利还写了封回信,但是雷纳斯和科万没有收到,雷纳斯多年后才看到这封信的底稿 [3]:

“谢谢信息。知道怎么等待的人终会等到一切。” 

笔者与斯坦伯格先生和杨振宁先生分别讨论过相关问题,特此致谢。本文中的直接引语均为笔者翻译自英文。

 参考文献:

[1] 施郁.人生危机催生中微子假说 | 纪念物理大师泡利,南方人物周刊,2019年第12期,58-63

https://mp.weixin.qq.com/s/0BI0SkXmbY5kMb5w2PJEEg

[2]杨振宁. 曙光集. p.392.

[3] Reines F. Nobel Lecture, 1995.

[4] Wang K C. Phys. Rev. 61, 97 (1942).

[5] 李炳安,杨振宁. 物理. 1986,15(12), 758

[6] Smith P. B., Allen J S. Phys. Rev. 81, 381-385 (1951).

[7] Rodeback G W, Allen J S. Phys. Rev. 86, 446 (1952).

[8] Davies R. Phys. Rev. 86, 976-985 (1952).

[9] Davies R. Nobel Lecture, 2002.

[10] 诺奖官网. http://nobelprize.org

[11] Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2015 Neutrino Oscillations.

[12] Giunti C, Kim C W. Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics, Oxford University Press, Oxford, 2007.

[13] Shi Y. Clarification on the early history of neutrino experiments, Mod. Phys. Lett. A 31, 1630043 (2016), and references therein.    

[14] Close F. Half Life, Basic Books, New York, 2015.

[15] Pontecorvo, B., 1946, Inverse β process, Chalk River Laboratory Report PD-205.

[16] Crane H R. Rev. Mod. Phys. 20, 278 (1948).

[17] 施郁. 2015年诺贝尔物理学奖与一位疑似苏联间谍,科学网博客,2015-12-5.

[18] Cowan, C. L., Jr., F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, and A. D. McGuire. 1956. Detection of the Free Neutrino: A Confirmation. Science 124 (3212): 103.

[19] T. D. Lee, C. N. Yang, Phys. Rev. 105, 1671-1675(1957).

[20] Reines, F., C. L. Cowan, Jr. 1959. Free Antineutrino Absorption Cross Section. I. Physical Review 113 (1): 273; Carter R. E. , Reines, F., Wagner J J, Wyman M. E. 1959. Free Antineutrino Absorption Cross Section. II. Physical Review 113 (1): 280; Reines, F., C. L. Cowan, Jr., F. B. Harrison, A. D. McGuire, and H. W Kruse. 1960. Detection of the Free Antineutrino. Physical Review 117 (1): 159.

[21] Reines, F. 1979. The Early Days of Experimental Neutrino Physics. Science 203 (4375): 11.

[22] Konopinski, E. J.; Mahmoud, H. M. The Universal Fermi Interaction. Physical Review. 92 (4): 1045–1049.

[23] Pontecorvo B. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 37, 1751 (1959).

[24] Gribov V, Pontecorvo B. Phys. Lett. B 28, 493 (1969). 


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