捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子(二)

1930年,物理學家包立為了解決貝他衰變裡能量不守恆的問題,假想一種觀測不到的新粒子;這個想法引起了理論物理學家費米的興趣……

本系列上一篇:捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子(一)

費米的理論:可以憑空創造或消滅的微中子

費米採納當時一些人的猜測,假設原子核由質子和(不久前才剛發現的)中子組成;至於貝他衰變裡的電子、和包立假想的微中子,原本並不存在於原子核內,而是在中子轉換成質子的過程中連帶產生;換言之,貝他衰變牽涉到如下反應:

中子 → 質子+電子+(反)微中子[1]

費米參照帶電粒子能夠放出光子的現象,讓理論描述的粒子可以憑空創造或消滅!這在當時是很突破性的概念,也難怪《自然》的編輯認為論文充滿臆測而駁回投稿。

貝他衰變原先被認為僅放出電子(圖左上),後來在費米的理論裡,描述為中子衰變為質子,再加上電子和反微中子(圖右下)。(圖片來源

理論上什麼都穿得透!微中子真的有辦法觀測嗎?

儘管包立的提案和費米的理論看似可以完美解釋貝他衰變帶來的問題,但只要微中子沒有被觀測到,一切都是空中閣樓,事情等於沒有解決。科學家開始思考,有沒有可能用實驗證明微中子的存在。

1934 年,貝特[2]和佩爾斯[3]估算了偵測微中子的可能性。相較於阿爾法粒子(氦原子核)單用一張紙就能擋下,貝他粒子(電子)要用幾公釐厚的鋁片才能遮蔽,伽馬射線甚至需要用到一公分厚的鉛、或六公分厚的混凝土,才能降低約 50% 的強度;兩人卻發現微中子足以在一般性的固體內行進十的十六次方公里(1016km)[4],約莫海王星到太陽距離的 220 萬倍,即一千光年!這麼強的穿透力,顯然沒有任何實驗儀器能夠捕捉。

貝特和佩爾斯於是下了結論:沒有任何實際可行的辦法觀測到微中子!

三種不同的主要衰變,其穿透力各有不同。(圖片來源

微中子觀測計畫:以買樂透的精神進行!

正所謂辦法是人想出來的,就算微中子幾乎可以毫無阻礙穿越任何物體,但只要有夠多的微中子,總還是有機會看到微中子跟其他物質發生反應──就像大樂透雖然很難中獎,但只要多買幾張,或多或少還是會中。

1951 年,曾在曼哈頓計畫、費曼[5]的小組裡工作的萊因斯[6],找了洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的同事科溫[7]一起進行微中子觀測計畫。起初,他們想在距離核子試爆點僅四十公尺的地方,向下挖掘深井放置探測器,利用試爆產生的大量微中子來提高偵測機率。但是,考慮到爆炸只有短短一兩秒,一旦失敗就得重新等待機會;來自中子和伽馬射線的背景雜訊又相當高,反而增加收集數據的難度。

兩人最後決定改在核子反應爐附近進行研究:微中子的數目雖然比核爆少很多,但來源持續穩定──估計每小時只能偵測到數個微中子反應事例,但只要等上幾個月、累積多一點數據,也足夠了。

萊因斯和科溫原本想在離核爆點僅四十公尺的地方挖洞,進行微中子偵測實驗。(圖片來源

利用核電廠尋找微中子

1955 年底,萊因斯和科溫在南卡羅萊納州薩凡納河區(Savannah River Site)的核子反應爐附近設置了實驗儀器。他們將氯化鎘(CdCl₂)溶解於 1400 公升的水裡,在此處理論上每平方公分的水面面積大約每秒就有十兆(十萬億,或1013)個反微中子通過。而如果有反微中子經過,水裡的質子和反微中子作用後,會產生正電子中子(逆貝他衰變):

反微中子+質子 → 正電子+中子

正電子會馬上跟水裡的電子湮滅,放出兩個伽馬射線光子;而中子在接下來百萬分之幾秒內就會被鎘原子核捕獲,也產生伽馬射線。於是,實驗探測器如果在很短的時間內連續看到兩道不同的閃光訊號──就表示觀測到(反)微中子了。

反微中子和水裡的質子作用產生逆貝他衰變,生成的正電子和中子隨後也會分別因為湮滅和捕獲作用而放出光子。(圖片來源

包立,你賭輸了!

1956 年,萊因斯和科溫在做完所有驗證之後,發了電報給正在歐洲核子研究組織(CERN)開會的包立,告知微中子的發現。包立看了電報,立刻打斷會議、興奮地向其他人宣讀電報內容並發表感言。不僅如此,因為包立曾跟天文學家巴德[8]打賭,人類永遠偵測不到微中子──這下他只能願賭服輸,買了一箱香檳送給巴德。

三十九年後,萊因斯因為微中子的發現,獲頒諾貝爾物理學獎;科溫則因為英年早逝,無緣參與這別具意義的一刻。隨著微中子被證實,貝他衰變帶來的懸念總算可以放下──如果事情這麼發展就太無趣了。

第二種微中子

1962 年,萊德曼[9]、施瓦茨[10]、施泰因貝格爾[11]等人從美國布魯克赫文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的粒子加速器,利用 π介子衰變產出微中子束,並確認其與 1956 年發現的微中子有別:貝他衰變裡的微中子,總是伴隨著正負電子;而萊德曼等人發現的微中子,卻是在另一種粒子──緲子相關反應中出現;所以後來兩者分別被稱為電子微中子和緲子微中子。

因為萊德曼、施瓦茨、施泰因貝格爾產製微中子束的方法,能夠幫助科學家更好地研究微中子牽涉到的弱交互作用;也因為他們發現新的微中子,讓後人更加瞭解兩種不同微中子和電子╱緲子的配對關係;三人於 1988 年獲頒諾貝爾物理學獎。

π介子的主要衰變產生反緲子以及和緲子對應的微中子――緲子微中子。(圖片來源

比緲子更重的新粒子

自從緲子在 1930 年代被發現之後,人們花了數十年的時間才逐漸了解,緲子的性質和電子非常接近(只是質量較大)──它們跟兩種微中子後來都被歸類為「輕子」(Lepton)。於是有人猜測,會不會有比緲子更重的輕子呢?

1971 年,台灣出生的美國籍科學家、史丹福大學教授蔡永賜(Yung-su Tsai)發表論文,探討更重的輕子在實驗中可能引發的效應──這導致了接下來 1974 到 1977 年的一系列實驗,以及濤子(Tau)的發現。濤子的發現者佩爾[12]因此和發現微中子的萊因斯共享了 1995 年的諾貝爾物理學獎。

既然電子和緲子都有相應的微中子,濤子應該也不例外──大部分人都是這麼深信的。但是過了許久,直到 2000 年,濤子微中子才正式被發現。

粒子物理標準模型

依照現在的粒子物理標準模型,輕子包含三個家族,分別由帶電的電子、緲子、濤子三者,和相應的(電中性)微中子組成。因為有很強的證據顯示,微中子的質量就算不為零,也必定極小,所以標準模型直接把微中子質量定為零,也沒有微中子的質量來源機制。

故事到此結束了嗎?至少看起來功德圓滿:和電子、緲子、濤子相應的微中子都發現了,不多不少;它們在標準模型的理論架構裡都有適當的位置,而且標準模型運作得非常成功。怎知,很快地,微中子又將帶給物理學界大震撼,標準模型也面臨結構調整。那是下一個故事了。

目前標準模型裡,輕子分成三個家族(三代),各由電子、緲子、濤子和相應的微中子組成。

註釋

  • [1] 費米原本把貝他衰變產生的微小電中性粒子定為微中子,但後來的理論發展將其定義為「反微中子」。
  • [2] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特(Hans Albrecht Bethe,1906年7月2日-2005年3月6日),德國和美國猶太裔核物理學家,1967年諾貝爾物理學獎得主。
  • [3] 魯道夫‧恩斯特‧佩爾斯(Rudolf Ernst Peierls,1907年6月5日-1995年9月19日)德裔英籍物理學家。
  • [4] 這個數字跟現代的估算相差不遠。
  • [5] 理察‧菲利普斯‧費曼(Richard Philips Feynman,1918年5月11日-1988年2月15日),美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [6] 弗雷德里克‧萊因斯(Frederick Reines,1918年3月16日-1998年8月26日),美國物理學家。
  • [7] 小克萊德‧洛蘭‧科溫(Clyde Lorrain Cowan Jr,1919年12月6日-1974年5月24日),美國物理學家。
  • [8] 威廉‧海因里希‧沃爾特‧巴德(Wilhelm Heinrich Walter Baade,1893年3月24日-1960年6月25日),德國天文學家,創造了超新星(supernova)一詞,並推測中子星的存在。
  • [9] 利昂‧馬克斯‧萊德曼(Leon Max Lederman,1922年7月15日-2018年10月3日),美國物理學家。
  • [10] 梅爾文‧施瓦茨(Melvin Schwartz,1932年11月2日-2006年8月28日),美國物理學家
  • [11] 傑克‧施泰因貝格爾(Jack Steinberger,1921年5月25日-),德裔美籍兼瑞士籍物理學家。
  • [12] 馬丁‧路易斯‧佩爾(Martin Lewis Perl,1927年6月24日-2014年9月30日),美國物理學家。

參考資料

  1. Chad Orzel (2019/04/25), “Neutrino Physics And A History Of Impossible Experiments“, Forbes.
  2. S.M. Bilenkya (2013), “Neutrino. History of a unique particle”, Eur. Phys. J. H 38, 345–404.
  3. Los Alamos Science Number 25 1997.
  4. Herbert Pietschmann (2005), “Neutrino – Past, Present and Future”, George Marx Memorial Lecture, Univ. Budapest, May 19, 2005.

關於作者

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」

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