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科温—莱因斯微中子实验

科温—莱因斯微中子实验（英语：Cowan–Reines neutrino experiment）是物理学家克莱德·科温与弗雷德里克·莱因斯于1956年进行的实验，此实验证实了微中子的存在。微中子是一种电荷中性、质量极小的次原子粒子，于1930年代被推测为β衰变过程中的基本粒子之一。这样一种电荷为零、质量也几乎为零的粒子，似乎不可能被侦测到。科温—莱因斯微中子实验使用由巨大水缸构成的侦测器，感测由邻近核反应堆涌出的大量反电子微中子（当时仍为一种假设粒子），成功观察到微中子与水中质子之间的反应，首次验证了微中子的存在及其基本性质。

弗雷德里克·莱因斯（右一）与克莱德·科温（左一）及“骚灵计划”的其他成员。

实验背景

在1910至1920年代期间，若干实验观测了原子核在β衰变过程中产生的电子，发现这些电子的能量呈连续分布。假如衰变过程中仅有原子核与电子参与，电子的能量分布应呈现单一窄峰，而不是连续的能量光谱。实验仅对衰变产生的电子进行了观测，因此电子能量连续分布的其中一种解释是，能量守恒实际上并不成立。[1]此一令人困惑的情况，加上一些其他因素，促使了沃夫冈．包立于1930年提出微中子存在的假说，尝试解释这个现象。假如能量守恒的基本物理原则仍然成立，那么贝塔衰变应是三体衰变而非二体衰变。因此包立提出，原子核在贝塔衰变过程中，除了电子之外，还会释放出另外一种粒子，这种称为微中子的粒子具有非常微小的质量与零电荷。尽管尚未获得实验证实，包立认为正是微中子带走了衰变过程中“消失”的能量。

恩里科·费米于1933年将包立的假设发展成贝塔衰变的理论（英语：Fermi's interaction）[2][3]。理论指出，贝塔衰变是由四个费米子的直接交互作用所组成。在交互作用过程中，一个中子直接衰变成一个电子、一个质子及一个推测存在的微中子（后来得知是一个反微中子）[4]。这项后来相当成功的理论，是建立在假设性微中子存在的基础之上。费米最初将他所提出的“初步的”贝塔衰变理论投稿至“自然”期刊，遭到了期刊的拒绝，原因是“该理论包含了与现实相距过远的猜测，无法引起读者的兴趣。”[5]

微中子假说与费米的理论面临一个问题：由于微中子与其他物质的交互作用非常小，以至于似乎不可能观测。在一份1934年的论文中，鲁道夫·佩尔斯与汉斯·贝特计算得出微中子能够轻易穿透地球，而不与任何物质产生交互作用[6][7]。

实验观测的可行性

在逆贝塔衰变（英语：inverse beta decay）中，一个预测存在的微中子（准确来说是一个反电子微中子） ( )会与一个质子 (
p
) 发生反应，产生一个中子 (
n
) 与一个正电子 ( )：

 

这个反应发生的几率很小。一个反应发生的几率与其散射截面成正比，而根据科温与莱因斯的预测，此反应的散射截面约为6×10−44 cm2。核子物理的常用单位是靶恩（barn），相当于1×10−24 cm2，比这个反应的散射截面大了20个数量级。

虽然反应的几率很低，不过它所具有的独特特征，使得这个罕见的反应有机会被侦测到。反应产生的正电子（电子的反物质）将迅速与附近的电子发生反应而互相湮灭，两道同时产生的伽马射线 (
γ
) 可被侦测。中子则可使用合适的原子核进行捕捉，而放出第三道伽玛射线。正电子湮灭事件与中子捕捉事件的同时性，是反微中子反应独一无二的特征。

水分子由一个氧原子与两个氢原子组成，而水中大部分的氢原子核仅由一个质子所构成。这些质子可以作为反微中子的反应标靶，因此只需使用简单的水，就可以作为反应的主要侦测物质。水中的氢原子受到的束缚力很小，因此在微中子反应中，它们可被视为自由质子。微中子与具有多个质子、中子的重核之间发生的反应，则较为复杂，因为这些质子与核之间有强大的束缚力。

实验设置

 
“骚灵计划”微中子侦测研究团队的团体照。弗烈德里克．莱因斯拿着海报；克莱德．科温在最右边。洛斯阿拉莫斯实验室，1953年。

由于单一微中子与质子发生反应的机会非常微小，因此只有透过使用巨大的微中子流进行实验，才有可能观察到微中子。实验计划自1951年开始进行，当时科温与莱因斯两人仍在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯担任研究人员。起初科温与莱因斯认为，当时正在进行的核武器测试可以提供实验所需的微中子流[8]。他们提议使用原子弹作为微中子的来源，获得了实验室主管诺里斯·布拉德伯里的许可。他们计划引爆一颗“20千吨的核弹，规模相当于投掷在日本广岛的原子弹”，并在爆炸瞬间将侦测器投放到距爆炸点40米的一个坑洞里，以便“捕捉到最大的微中子通量”。此一计划的侦测器被称为“El Monstro”[9]。他们最终采纳了洛斯阿拉莫斯实验室物理组长J.M.B.克勒格的建议，改用一具核反应堆作为微中子的来源。反应堆的微中子通量高达5×1013个微中子每平方公分每秒[10]，远超过任何其他辐射源所能提供的强度。侦测器由两大缸水所构成，水中的质子提供了大量的潜在反应标靶。

当微中子在罕见情况下与水中的质子发生反应时，反应会生成中子与正电子。正电子湮灭所产生的两道伽玛射线，可以透过夹在水缸两侧的液态闪烁体（英语：scintillator）来侦测。闪烁体受到伽玛射线的激发而发出闪光，这些闪光可以再透过光电倍增管侦测到。

除此之外，若能侦测到微中子实验产生的中子，则能够为实验结果提供再次的验证。科温与莱因斯透过在水缸中溶进氯化镉（CdCl2）来侦测中子。镉是高效的中子吸收剂，当它吸收中子时，会放出伽玛射线。


n
 + 108
Cd
 → 109m
Cd
 → 109
Cd
 +
γ

根据实验的设计，在微中子反应事件发生后，正子湮灭所产生的两道伽玛射线将被侦测到；在几微秒后，来自镉吸收中子所放出的伽玛射线，也将被侦测到。

科温与莱因斯设计的实验，使用了两缸共约200升的水，并使用了约40公斤的氯化镉作为溶质。两个水缸被夹在三层闪烁体（英语：scintillator）之间，闪烁体层使用了110支五吋（127 mm）的光电倍增管。

实验结果

 
弗烈德里克．莱因斯（左）与克莱德．科温，拍摄于沙瓦纳溪实验的控制站。摄于1956年。

科温与莱因斯在1953年建造了一台侦测器，并将其昵称为“Herr Auge”，即德文的“眼睛先生”。他们将寻找微中子的计划取名为“骚灵计划”，是因为“微中子如鬼魅般难以捉摸的性质”。一个初步的实验于1953年在华盛顿州汉福德区进行。1955年末，实验移至南卡罗来纳州艾肯市附近的萨凡纳河实验室（英语：Savannah River Site）[11][12][13]，该实验室能更好地屏蔽宇宙射线。屏蔽点在地下12米处，与反应器相距11米。

在搜集了数个月的数据之后，资料显示侦测器中每小时约发生三次微中子反应。为了完全确定他们所观察到的，确实是前述侦测方法所描述的微中子反应，科温与莱因斯关闭反应堆，证实了侦测到的反应频率也随之下降。

科温与莱因斯根据理论，预测微中子反应的散射截面约为6×10−44 cm2，实际测量值则是6.3×10−44 cm2。实验结果发表于1956年7月20日的“科学”期刊上[14][15]。

实验影响

克莱德．科温于1974年过世，享年54岁。弗雷德里克·莱因斯于1995年获得诺贝尔奖，以表彰其对于微中子物理学的研究成果[7]。

在后续多项研究微中子的实验中，使用大型侦测器的实验方法一再被应用，其中有许多侦测器也是以水为基底。相关的实验室与实验计划包括[7]尔湾-密歇根-布鲁克海文侦测器（英语：Irvine–Michigan–Brookhaven (detector)）、超级神冈探测器、萨德伯里微中子观测站与霍姆斯特克实验（英语：Homestake Experiment）。霍姆斯特克实验是一个较为近期的实验计划，侦测源自太阳中心核聚变反应的微中子。多个微中子探测站在1987年侦测到了超新星SN 1987A的微中子喷发，微中子天文学因而诞生。根据对太阳微中子的观测，萨德伯里微中子探测站提出了微中子振荡现象的实验证明。微中子振荡现象证实了微中子具有质量，这是粒子物理学的一个重大进展[16]。

参见

参考资料

  1. ^ Stuewer, Roger H. The Nuclear Electron Hypothesis. Shea, William R. (编). Otto Hahn and the Rise of Nuclear Physics. Dordrecht, Holland: D. Riedel Publishing Company. 1983: 19–67. ISBN 978-90-277-1584-5. 
  2. ^ Yang, C. N. Fermi's β-decay Theory. Asia Pacific Physics Newsletter. 2012, 1 (1): 27–30. doi:10.1142/s2251158x12000045. 
  3. ^ Griffiths, D. Introduction to Elementary Particles  2nd. 2009: 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2. 
  4. ^ Feynman, R.P. Theory of Fundamental Processes. W. A. Benjamin（英语：W. A. Benjamin）. 1962. Chapters 6 & 7. 
  5. ^ Pais, Abraham. Inward Bound . Oxford: Oxford University Press. 1986: 418. ISBN 978-0-19-851997-3. 
  6. ^ Bethe, H.; Peierls, R. The Neutrino. Nature. 5 May 1934, 133 (532): 689–690. Bibcode:1934Natur.133..689B. S2CID 4098234. doi:10.1038/133689b0. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 The Nobel Prize in Physics 1995. The Nobel Foundation. [2018-08-24]. 
  8. ^ The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist (PDF). Los Alamos Science（英语：Los Alamos Science）. 1997, 25: 3. 
  9. ^ Abbott, Alison. The singing neutrino Nobel laureate who nearly bombed Nevada. Nature. 17 May 2021, 593 (7859): 334–335 [7 August 2023]. doi:10.1038/d41586-021-01318-y   （英语）. 
  10. ^ Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 978-0-471-60386-3. 
  11. ^ Laboratory, Los Alamos National. Ghost particles and Project Poltergeist. Los Alamos National Laboratory. [6 August 2023] （英语）. 
  12. ^ Sutton, Christine. Ghosts in the machine (PDF). CERN Courier. July–August 2016, 56 (6): 17. 
  13. ^ Alcazar, Daniel Albir. Ghost particles and Project Poltergeist: Long-ago Lab physicists studied science that haunted them. Los Alamos National Lab. (LANL), Los Alamos, NM (United States). 18 November 2020 （English）. 
  14. ^ C. L. Cowan Jr.; F. Reines; F. B. Harrison; H. W. Kruse; A. D. McGuire. Detection of the Free Neutrino: a Confirmation. Science. July 20, 1956, 124 (3212): 103–4. Bibcode:1956Sci...124..103C. PMID 17796274. doi:10.1126/science.124.3212.103. 
  15. ^ Winter, Klaus. Neutrino physics. Cambridge University Press. 2000: 38ff. ISBN 978-0-521-65003-8. 
    This source reproduces the 1956 paper.
  16. ^ Barger, Vernon; Marfatia, Danny; Whisnant, Kerry Lewis. The Physics of Neutrinos. Princeton University Press. 2012. ISBN 978-0-691-12853-5. 

外部链接

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