1、1988 1988年諾貝爾物理學(xué)獎一一中微子的研究 年諾貝爾物理學(xué)獎一一中微子的研究1988年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國伊利諾斯州巴塔維亞(Batavia)費米國家 加速器實驗室的萊德曼(Leon ,1922一)、美國加利福尼亞州蒙頓維(Mountain View)，數(shù)字通訊公司(DigitalPathways,Inc)的施瓦茨(Melvin Schwartz, 1932一)和瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的斯坦博格( Jack Steinbe

2、rger , 1921-),以表彰他們在發(fā)展中微子束方法以及通過U子中微子的發(fā)現(xiàn)顯示輕子 的二重態(tài)結(jié)構(gòu)所作的貢獻。中微子的研究在粒子物理學(xué)中占有重要地位。它原來是一個假設(shè)的粒子。 1931年，泡利從研究6衰變的能譜出發(fā)，提出了中微子的假設(shè)，當(dāng)時幾乎沒有 人能夠想像，怎么去“捕捉”這一神秘莫測的“粒子”。因為中微子是中性的， 所以用于測量帶電粒子的所有辦法，對它都無效。它與物質(zhì)的相互作用又極弱， 甚至可以穿過整個地球而不被任何物質(zhì)吸收。所

3、以長時期以來，中微子只是在理 論家的計算中出現(xiàn)，而實驗上始終無法證實它的存在。1934年，費米根據(jù)泡利 的假設(shè)，提出了原子核中的中子衰變成質(zhì)子，同時放出一個電子與中微子的B 衰變理論。費米的理論指出，原子核B衰變的相互作用，不同于電磁相互作用， 是一種“弱相互作用”。費米的理論計算與實驗結(jié)果符合得很好，間接地證明了 中微子的存在。即使如此，人們?nèi)匀徊恢?，如何真正地去測量它。1952年戴維斯(Davis)按照早在1941年由我國科學(xué)

4、家王淦昌所提出的建 議，用K俘獲法證明了中微子的存在。1953年，在反應(yīng)堆旁觀測到了反中微子。1956年，科昂(Cowan)，萊因斯 (Reines)等人，在實驗上直接觀察到中微子①1958年，哥德哈勃(Goldhaber) 等人，還精確地測出了中微子的螺旋性。他們用的也是K俘獲法。用152En俘獲 一個K殼層的電子，變成152Sm的激發(fā)態(tài)，再放出一個中微子，成為^m。經(jīng)過仔 細分析，他們第一次確定，中微子的螺旋性是-1，反中微子是+1

5、。在這之前，還 有兩種常用的方法：一種是所謂的B能譜法，即用量能器測量B衰變時的能量 譜，由于電子只帶走了衰變前后原子核能量差的一部分，其余部分的能量，即由 中微子帶走。這是最早的中微子實驗，可以定性地，間接地證實中微子的存在。 另一種是原子核反沖法。原子核在B衰變發(fā)射電子的同時，原子核本身還要受 到一個反作用力，使原子核本身獲得一個反沖速度。只要測出了發(fā)射電子與反沖 核的動量，從動量的守恒，就可以確認中微子的存在。到了 1962

6、年，對中微子的研究，進入了一個革命性的嶄新階段。哥倫比亞 大學(xué)的萊德曼、施瓦茨、斯坦博格等人，想到可以用加速器來產(chǎn)生中微子。他們 在紐約長島的布魯克海文的國家實驗室里，用15 GeV的質(zhì)子束打擊鈹靶，從而 產(chǎn)生n介子束流。n介子在飛行中衰變，產(chǎn)生U子，同時放出一個中微子。 他們將束流通過很大質(zhì)量的鐵，以致大部分的U子都被吸收掉，而中微子卻可 以暢通無阻地穿過，從而獲取相當(dāng)純的中微子束流。然后，他們將中微子束流注 人火花室，觀察到所產(chǎn)生的

7、新U子。這些反應(yīng)過程，可以用如下的表達式表示：n+—U + Vv+n—u+p而B衰變所產(chǎn)生的中微子卻是按照不同的反應(yīng)過程：器。萊德曼是一位成果累累的實驗物理學(xué)家，他在1956年就發(fā)現(xiàn)了中性K介子； 他研究了強子碰撞中輕子對的產(chǎn)生，開創(chuàng)了實驗高能物理學(xué)的新方向，最早在 n-u-e衰變過程中對李、楊宇稱不守恒原理做出實驗檢驗，和吳健雄的鉆60 實驗同一天向《物理評論》遞交論文；1965年發(fā)現(xiàn)反氘核；1977年發(fā)現(xiàn)Y粒子。萊德曼在1989年從

8、費米實驗室退休，在芝加哥大學(xué)當(dāng)物理學(xué)教授。這一年 他還被聘為依利諾斯州長科學(xué)顧問。他協(xié)助建立教師學(xué)院，培訓(xùn)科學(xué)和數(shù)學(xué)教師， 在這里有近二萬名教師進修。1991年他被選為美國科學(xué)促進協(xié)會會長。斯坦博格是猶太人，1921年5月25日出生于德國的弗蘭康尼亞 （Franconia），由于納粹對猶太人的迫害，他和他的哥哥被美國猶太慈善機構(gòu)收 錄，搭乘華盛頓郵輪于1934年圣誕節(jié)抵達紐約，其時他只有13歲。他被芝加哥 貿(mào)易局谷物交易所的法羅爾（）

9、先生收養(yǎng)，后來又被送入高中學(xué)習(xí)?？糠_爾資 助，他的父母和小弟弟也來到美國，這樣全家才得以免去一場浩劫。全家在芝加 哥安頓下來，靠經(jīng)營雜貨鋪，以微薄收入糊口，盡管這樣，他們已是十分滿足， 全家過著十分儉樸的生活，斯坦博格發(fā)奮讀書，做一個好學(xué)生，在工業(yè)學(xué)院念了 兩年化學(xué)工程?？墒沁@時正遇經(jīng)濟蕭條，獎學(xué)金停止了，不得不輟學(xué)，找工作做， 以補家用。對于一個20歲的青年來說，到街上找工作談何容易，總是吃閉門羹， 最后找到了一家藥劑實驗

10、室洗化學(xué)設(shè)備，每周18美元，晚上再到芝加哥大學(xué)學(xué) 化學(xué)，周末則幫家里看店鋪。第二年，斯坦博格從芝加哥大學(xué)得到獎學(xué)金，才得以繼續(xù)完成學(xué)業(yè)。1942 年珍珠港事件爆發(fā)，斯坦博格參軍，在學(xué)了幾個月的電磁波理論的特殊課程之后， 被送到MIT輻射實驗室工作。這里正在研制雷達轟炸制導(dǎo)系統(tǒng)，斯坦博格參加了 天線組。這里有著名的物理學(xué)家珀塞爾和施溫格等人。斯坦博格在這里有機會進 修了好幾門物理學(xué)的基礎(chǔ)課程。戰(zhàn)后，斯坦博格回到芝加哥大學(xué)完成學(xué)業(yè)，費米、泰

11、勒等教授都在這里，楊 振寧、李政道、張伯倫是他的同學(xué)，這里有極好的學(xué)術(shù)空氣。費米的講課清晰明 了，斯坦博格從老師和同學(xué)受益頗多。斯坦博格在選擇博士論文題目時本想做一個理論題目，但似乎感到力不能 及。費米推薦他從事宇宙射線中的u介子問題。羅西（Rossi）和桑茲（Sands） 正在從事這項工作，但沒有找到預(yù)期的衰變數(shù)。斯坦博格在對幾何損失作了修正 后，仍差一個因子2。于是他就向桑茲建議，也許是由于衰變中的電子比二體衰 變的能量小，可以做個

12、實驗試試?？墒巧Ｆ潧]有接受他的建議。費米則勸斯坦博 格自己做這個實驗，不必等待理論。不到一年，宇宙射線實驗在1948年夏天完 成了。原來u子參與的是三體衰變，可能衰變?yōu)橐粋€電子和兩個中微子，這個 實驗為后來的弱相互作用概念奠定了實驗基礎(chǔ)。1949年維克（）邀請斯坦博格到伯克利加州大學(xué)當(dāng)他的助教。斯坦博格在 那里大展實驗才能，因為那里由麥克米蘭（）領(lǐng)導(dǎo)興建的電子同步加速器剛剛完 工。這使斯坦博格有可能做成n介子的光生實驗，由此可確認中性

13、n介子的存 在，還可以測量n介子的平均壽命。一部分的原因是由于斯坦博格拒絕在反共 宣言上簽字，斯坦博格在伯克利只呆了一年，在1950年返回哥倫比亞大學(xué)，這 里的Nevis實驗室380 MeV的回旋加速器已經(jīng)完工。這樣就有可能進行n介子 束實驗。第二年，斯坦博格和他的合作者用這種n介子束測量帶電和中性n介 子的自旋和宇稱、測量n-n°質(zhì)量之差，并研究帶電n介子的散射。當(dāng)時這些實驗全靠小閃爍計數(shù)器進行。泡室技術(shù)在50年代初才由格拉