寻找第二种中微子

几年前，美国物理学会将自1893年创刊起的全部《物理评论》论文上线，并在其《物理》杂志的“焦点”栏目中回顾历史上的重要论文。几天前回顾的是发现第二种中微子的论文。

布鲁克海汶国家实验室，梅尔文·施瓦茨与10吨重的火花室，上面显示了多个宇宙线缪子的径迹

有趣的是，这个团队中的莱德曼等人也在1957年用缪子束流证实了宇称不守恒，与吴健雄的论文同一天提交，一同发表。吴健雄经过半年多的实验，已得到了初步结果，并告诉了李政道，但谨慎起见，她打算回华盛顿再检验一遍。尽管吴健雄叮嘱不要外传实验结果，李政道还是忍不住告诉了也是哥伦比亚大学同事的莱德曼。莱德曼就用李、杨建议的另一种检验方法，缪子衰变的不对称，设计了一个检验实验，3天就得到了确定的结果。为了尊重吴健雄的成果，莱德曼将自己的论文压了几天，并在论文中写明：“在本实验开始前，我们已听到了吴健雄利用极化核贝塔衰变证实宇称不守恒的初步结果”。另一组人也用缪子衰变原理和核乳胶技术证实了宇称不守恒，论文晚提交两天，但发表在下一期上。该作者因此对编辑部非常不满，并退出了美国物理学会。莱德曼后来还发现了中性K介子和底夸克，担任费米实验室主任，领导完成了超导对撞机Tevatron的建造等。是他首先把希格斯粒子叫做“上帝粒子”。

[July 31, 2015，Physics 8, 75]

1962年的一个大型实验显示中微子有两种：电子中微子和缪子中微子

中微子无处不在，但因为与其它粒子相互作用微弱，很难控制和探测。1962年发现缪中微子，是一个具有基本重要性的成果，同时也第一次展示了产生中微子束流的方法。1988年诺贝尔奖的授奖辞对两者的重要性给予了同等的肯定。今天的中微子实验仍然采用同样的基本方法。

1956年发现中微子后，物理学家渴望研究支配着中微子与物质相互作用的弱力，但缺乏合适的实验方法。五十年代末，前苏联杜布纳联合核子研究所的布鲁诺·蓬泰科尔沃，与哥伦比亚大学及布鲁克海汶国家实验室（BNL）的梅尔文·施瓦茨，独立地提出了一种产生几乎纯净中微子束流的方法。施瓦茨随即加入了利昂·莱德曼、杰克·斯坦伯格、以及其他人组成的小组，将这个想法付诸实施。

这个团队利用BNL的交变梯度同步加速器（AGS）产生15GeV的质子束流。束流打在铍靶上，产生大量派介子，后者会衰变成缪子及中微子。这样产生的束流混杂了派介子、缪子、一些原初的质子，毫无疑问还有其它各种粒子。质子能量很高，几乎就是光速，因此所有产生的粒子都沿着质子方向继续前冲。束流穿过一堵13.5米厚的钢墙。所需的大量钢材来自退役的密苏里号战舰。

根据计算，绝大多数中微子会轻松穿过钢板，但派介子只有一亿亿亿分之一能透过，其它带电粒子也差不多。这样严密的阻挡是必须的，因为探测中微子是那么困难，以至于极小的污染也会掩盖结果。

为了探测中微子，研究人员建造了10吨重的火花室，由90块1英寸厚的铝板组成，间隔3/8英寸，中间充满气体。理论上，当中微子的洪流经过探测器，偶尔会有一个击中铝核中的质子，产生一个中子，以及一个电子或缪子。这个带电粒子会使气体电离，沿着它的轨迹，在加了高压的铝板间会产生一系列火花，描绘出它的行踪。

在实验几个月的运行期间，大约34.8亿亿个质子打中了铍靶。在这样的轰击中，探测器观测到了113个可能的中微子。有一些实际上是加速器直接产生的缪子，还有一些来自中子或者宇宙射线。研究人员认为其中51个信号是穿过钢墙而来的中微子。这些轨迹穿过铝板时，没有发生其它相互作用，而电子的轨迹不是这样的（因为电子很轻，穿过物质时容易发生多重散射，因此轨迹不直，毛绒绒的）。因此研究人员断定，探测器中只产生了缪子，意味着束流中的中微子“很可能不同于贝塔衰变产生的中微子（电子中微子）”。

这个结论一点也不令人惊讶；理论上早就认为存在第二种中微子。弱作用理论表明，一个缪子衰变成一个电子时，会产生一对正反中微子。这对正反中微子应该有一定的几率合并，产生一个光子。但没有人看到过产生光子的缪子衰变。一个简单的解释就是这里的正反中微子是不同类型的，无法合并。

这个实验使物理学家确信第二种中微子——缪中微子确实存在，并为施瓦茨、莱德曼、斯坦伯格羸得了1988年诺贝尔奖。这种产生中微子的技术开创了研究中微子的新方法，例如去年开始运行的美国费米实验室的NOvA实验，仍然采用了这种技术，以寻找缪中微子到电子中微子的转换。当飞行距离足够长时，由于中微子振荡，缪中微子有极小的概率在飞行过程中变成电子中微子。

（原作者：David Lindley。略有改动）