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第5章 幽灵猎手中微子（第2页）

物理学家们发现，亚原子粒子看上去好像在旋转，尽管它们并没有旋转。就像亚微观量子领域的其他事物一样，自旋也是以不可分割的整体，或者说是以“量子”形式出现的。由于自旋电荷的作用类似一块小磁铁，因此可以从运动粒子在磁场中偏转的形态来推断其自旋。质子、中子和电子的自旋都是一个特定值的12（出于历史的、令人费解的原因，自旋的最小值是某一特定值的一半）。[80]那些主要由费米确定的具有半整数自旋的粒子，统称为费米子（fermion）。

亚原子粒子的自旋就像电荷和动量一样，也是永远不变的物理量之一，或者说是守恒的。[3]然而，如果1个中子（自旋12）衰变成1个质子（自旋12）和1个电子（自旋12），最后的总自旋可能有两种结果：如果衰变后得到的质子和电子的自旋方向相同，则总自旋为1；假如衰变后得到的质子和电子的自旋方向相反，则总自旋相互抵消，数值为0。这两种情况的自旋数值都不等于衰变前的总自旋12，这违反了自旋守恒。好在泡利在给图宾根会议的信中不仅提出了中微子不带电荷、质量很小，以及很少与正常物质相互作用，而且泡利还假设了中微子拥有12的自旋。如果是这样，在衰变后的质子产物中加上中微子，那么质子、电子和中微子（12＋12-12=12）的自旋就有可能等于衰变前中子的自旋（12），符合自旋守恒。

泡利的预测同时解决了许多问题，而且，他预测的中微子所具备的特性，诸如自旋、电荷、质量和穿透能力等，都通过实验观测得到了证实。在物理学历史上，还从来没有人做出过这样成功的预测。这也激发了费米的想象力，1931年10月的罗马会议一结束，他就决定着手开发革命性的β衰变理论。[81]

就在费米酝酿β衰变理论的几年里，前面也有提到过，两种新的亚原子粒子被发现了，那就是中子和正电子。1932年8月，加州理工学院的卡尔·安德森在帕萨迪纳研究宇宙射线时，发现了第一个反物质粒子——一个带正电荷的孪生电子，取名正电子。[4]1932年1月，英国剑桥大学的詹姆斯·查德威克发现了原子核中的第二种组分，其质量与带正电荷的质子相同，但不带电荷的中子。正是中子的发现，使费米为泡利假设的粒子起了一个新名字——“rino”，即中微子。“rino”一词在意大利语中有“小的、中性的东西”的意思。

费米发表于1934年的β衰变理论非常成功。这个理论表明，除了众所周知的万有引力和电磁力之外，还存在第三种基本的自然力。费米把这种新的相互作用称为弱力，弱力只在原子核内很短的距离内起作用，这也是以前没有人注意到它的原因。弱力的作用是把原子核中的1个中子变成1个质子，同时产生1个电子和1个反中微子（arino）。

费米的理论也容许逆向过程发生，即质子捕获中微子，转变成中子并放射出正电子（事实上，中微子就是在这一过程中产生的。β衰变中产生的是反中微子，这正是泡利预测所表述的事情）。物理学家汉斯·贝特和鲁道夫·佩尔斯（RudolfPeierls）立即指出，依据费米的理论，这种逆β衰变（iadecay）发生时，中微子在飞向质子时会撞上其他物质，从而被探测到，但实际上，这种情况极少发生。

费米并没有说弱力这种新的相互作用毫无意义。事实上，弱力比电磁力——那种把我们体内的原子聚集在一起的力——弱10万亿倍。这种力太微弱了，由计算得知原子核中的质子捕获中微子的概率接近零。[82]尽管泡利认为一块大约10厘米厚的铅板差不多就可以挡住中微子，但根据费米的理论，似乎需要好几光年厚的铅板才行。[5][6][83]正如美国小说家迈克尔·查本（Michael）随后评述的那样：“如果你想不被中微子打到，就需要把自己包裹在8光年厚的铅里面，这还是所需的最小厚度。我猜这些小浑蛋无处不在。”[84]

尽管费米的β衰变理论支持中微子存在，但许多人依然怀疑它是否存在。这怎么能怪他们呢？就连诺贝尔奖得主、美国物理学家利昂·莱德曼（LeonLederman）也曾评述道：“中微子……必将赢得极简主义大赛的冠军：零电荷、零半径，而且极有可能还是零质量。”[85]

在这些持怀疑态度的人中就有英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿。“此刻，核物理学家们正忙于撰写想象中的粒子，即所谓中微子的文章，试图解释β衰变中特定的观测现象，”他说，“或许最好将中微子描述为分离出去的微弱自旋能。我对中微子理论不太感兴趣。”

然而，爱丁顿并没有说他不相信中微子：“我必须意识到，物理学家就像是艺术家，你永远不知道他接下来要上演哪一出。”爱丁顿认为，如果的确有中微子，那么就要证明它的存在。但即使是这个时候，爱丁顿也很谨慎。“我敢断言实验物理学家们缺乏足够的创造力制造不出中微子吗？”他说，“不管心里怎么想，都不要冒险拿实验物理学家的技术来打赌。如果他们成功地制造出了中微子，甚至开发出了中微子的工业应用，我想我不得不相信，但我可能会觉得他们搞了小动作（发现，还是制造？）。”[86]

即使对那些相信中微子存在的人来说，中微子的不可探测性也是一个难以克服的问题。具有讽刺意味的是，虽然生活中的泡利是一个非常害怕孤独的人，但他预测了宇宙中最孤僻的粒子的存在。这种粒子孤僻到几乎与宇宙中的任何东西都不产生相互作用。“我做了一件可怕的事，”泡利说，“我假设了一种无法被探测到的粒子。”前沿物理学家一致认为不可能探测到中微子。事实上，泡利自己就以一箱香槟为赌注跟人打赌说，没人能找到中微子。

1955年11月，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯

十多年来，弗雷德里克·莱因斯一直在做“不可能”完成的事情。1944年，他加入曼哈顿计划时所做的事情看起来就是不可能的，那就是让核原料释放出比等量的炸药多100万倍的能量。但他们于1945年7月16日在阿拉莫戈多（Alamagordo）完成了这一壮举。“我成了死神，世界的毁灭者。”曼哈顿计划的负责人罗伯特·奥本海默在观看了新墨西哥沙漠上空的蘑菇云升入黎明的天空时，引用了《薄伽梵歌》（BhagavadGita）中的这句名言。

接下来，莱因斯又与研究团队一起解决另一个不可能：制造超级炸弹——一种用原子弹触发、释放能量的原理如同太阳的装置。1952年11月1日，他们实现了这一壮举，在埃内韦塔克环礁引爆了氢弹。

研究团队总是面临着不可能的挑战，但他们总能勇往直前、取得胜利。例如，1951年测试增强型原子弹时，他们很清楚，爆炸产生的强烈γ射线将会使从炸弹塔到仪器掩体的信号电缆中产生强烈的电涌，烧毁电子器件。在可撤退范围内唯一能提供可靠防护的就是试验核弹的那座岛，所以他们只能把岛一侧的土堆到岛的另一侧以提供防护。[87]

原子弹试验带来的不可能的挑战使所有参与的人都产生了一种“勇往直前”的精神，一种“目光远大”的志向。正是这种精神促使莱因斯挑战探测核弹爆炸产生的中微子，这又是一项不可能完成的任务。

1951年，在埃内韦塔克环礁成功地进行了一系列核试验后，莱因斯回到了美国。在经历了6年艰苦的核武器试验工作之后，他疲惫不堪，亟须休整一下。莱因斯请求洛斯阿拉莫斯理论部门的领导停止给他委派任务，以便让他有时间思考一下基础物理学的事。卡森·马克（ark）是个开明的人，批准了莱因斯的请求，给他安排了一间办公室。莱因斯坐在那里，眼睛盯着一张白纸看了好几个月，苦苦思考着他到底该干点什么。很长一段时间，他都没有头绪，但随后，莱因斯想到了中微子。

在洛斯阿拉莫斯，莱因斯曾是炸弹试验指导和联络小组的成员。有时，该小组会反复讨论一些疯狂的想法，即在核试验中利用热辐射、γ射线和中子的强烈爆发进行一些物理学实验来研究基本的物理现象。所以莱因斯很清楚，核火球会产生一种伴生辐射。当铀核或钚核发生裂变时，会产生2个不稳定的子一代核。在向稳定状态过渡的过程中，每个子一代核平均需要经历6次β衰变，每次会分裂出1个反中微子。因此，核爆炸会产生异常强烈的反中微子爆发。

探测到反中微子的机会低到几乎不可能。但是，莱因斯认为，如果每次产生的反中微子的数量足够多，那么捕获到1个反中微子的概率就会提高。

1951年夏季的一天，莱因斯听说恩里科·费米正在访问洛斯阿拉莫斯，并给他在走廊的尽头安排了一间办公室。费米因在20世纪30年代早期创立了β衰变理论而赢得了1938年的诺贝尔物理学奖，领奖后，他悄悄逃离了法西斯独裁者墨索里尼（Mussolini）统治的意大利。1942年12月2日，费米在美国改变了历史的进程：在芝加哥大学斯泰格体育场（StaggField）西看台下的、由室内壁球馆改造成的实验室里，他用铀和石墨建成了一座简陋的反应堆，利用世界上第一个持续的核链式反应释放了原子核的惊人能量。

莱因斯在敲费米办公室的门时，感到有些局促不安。当他告诉这位意大利物理学家他想在核爆炸的冲击波中探测中微子的想法时，费米并没有否定这个想法。令莱因斯颇感意外的是，事实上，费米同意莱因斯的观点，即核爆炸是发现这种难以捉摸的粒子的最佳机会。

中微子几乎不可能被单个原子中的质子俘获。因此，增加机会的方法就是把大量的原子放在一起。莱因斯估计，如果探测器的质量为1吨左右，就有可能探测到少量中微子。但是莱因斯和费米都不知道下一步该怎么办。

费米并未嘲笑莱因斯探测中微子的想法，这增强了莱因斯的信心。问题是只有他一个人痴迷于此，他缺少帮手，但当莱因斯跨越整个国家，飞往新泽西州普林斯顿参加一个物理学会议时，情况发生了改变。莱因斯乘坐的飞机引擎出了故障，被迫降落在堪萨斯城。和他一起从新墨西哥州来的还有另一位物理学家克莱德·柯温（Clyde）。柯温曾在第二次世界大战期间与英国人一起研究雷达，1949年加入了洛斯阿拉莫斯实验室。尽管莱因斯和柯温都曾是美国炸弹研制小组的成员，但在这之前，他们从未有过适当的交谈机会。现在，当他们在堪萨斯城的街道上漫步、等待飞机维修时，两人相谈甚欢。

莱因斯和柯温的谈话很快就转到了基础物理学方面，以及“世界上最难的实验是什么”这个问题上，两人立刻一致认为是中微子的探测。所有人都认为这是不可能的，这反倒激发了他们的研究热情。二人憧憬着实现这一壮举后，同事们的反应和自己将获得的荣耀。他们当场就决定一起合作探测中微子，莱因斯终于找到了帮手。

回到洛斯阿拉莫斯，莱因斯和柯温铆足了干劲，积极筹划这个项目。于是在1951年末，一个中微子实验小组诞生了。由于中微子是稍纵即逝的幽灵，几乎不会在物质的现实世界中现身，所以探测任务被命名为猎幽项目（ProjectPeist）。

贝特和佩尔斯已经指出，要通过逆β衰变，才能捕获中微子（更准确地说，是电子型反中微子）：在极少数情况下，1个中微子与1个质子相互作用，产生1个中子和1个正电子。因为电子在物质中无处不在，正电子会很快遇到电子，并与之湮灭。湮灭后的正、负电子转化为两个高能光子，或者叫作γ射线，朝相反的方向辐射出去。莱因斯和柯温打算探测的正是这些γ射线——它们代表发生了正负电子的湮灭，也就间接地证明了中微子的存在。

一年以前，也就是1950年，几个研究团队发现了示踪**。当带电的亚原子粒子或γ射线穿过这种**时，射线经过的地方会发出闪光。这种液态闪烁体发出的闪光很微弱，不过可以用光电倍增管（photomultiplier）来增强这些闪光，并将其转换为人类可测量的电信号。所以，可以在闪烁体周围布满光电倍增管来探测γ射线诱发的闪光。

莱因斯和柯温设想的中微子探测器包含液态闪烁体和一箱水。水中的大量质子将为中微子提供大量的目标，当中微子和质子相互作用时会产生的一对γ射线，分别穿过水箱周围装有液态闪烁体的容器，将被放置在每个闪烁体容器周围的光电倍增管检测到。

这个实验用到的竖井并不特别，然而，莱因斯和柯温选择挖掘竖井的地方却一点也不普通——这正是拥有大无畏思想和敢作敢为精神的两位物理学家的过人之处。虽然原子弹威力巨大，能制造出毁灭一座城市的炽热火球，但莱因斯和柯温还是考虑把探测器安置在离这片地狱中心只有50米远的地方。

鉴于没有任何东西能在这样的爆炸中幸存，莱因斯和柯温设想将中微子探测器放置在直径10英尺（约3米）、深150英尺（约45。72米）的竖井中。他们会先把竖井中的空气抽走，在炸弹爆炸前的一瞬间，让探测器自由下落。在2秒的下落过程中，探测器不仅被周围的井壁保护，免受火球的猛烈冲击，而且由于探测器是在真空中做自由落体运动，能避免受到穿过土壤的巨大冲击波带来的潜在的灾难性冲击。莱因斯和柯温在竖井的底部铺上一层厚厚的泡沫橡胶和羽毛，这样，探测器在触底时也能得到保护。莱因斯和柯温打算几天之后再去取回探测器，因为那时候辐射水平会降低，他们可以冒险快进快出。

事实上，这个非凡的计划得到了洛斯阿拉莫斯实验室主任诺里斯·布拉德伯里（NorrisBradbury）的批准。内华达炸弹试验基地甚至已经开始挖掘用来放置探测器的150英尺（约4。57米）深的竖井。但是，在1952年秋，洛斯阿拉莫斯物理学分部的负责人杰罗姆·凯洛格（JeromeKellogg）问莱因斯和柯温，是否有可能用核反应堆而不是核弹来进行实验。直觉上，这似乎不可能，因为核反应堆的中微子源比核爆炸弱1000倍。然而，当莱因斯和柯温在仔细研究这种可能性时，惊讶地发现这个方案是可行的。

当中微子撞击质子时，不仅产生1个正电子，还产生1个中子。莱因斯和柯温意识到，关键是不仅要探测正电子，还要探测中子。中子可以用像镉这样的物质来检测，镉能像海绵一样吸收中子。将镉与液态闪烁体混合在一起，就可以探测到中子了。在被镉原子核吸收之前，每个中子都会在原子核之间不断碰撞反射，这个过程大约持续5微秒。当中子进入镉原子核之后，会将多余的能量以γ射线的形式释放出来。

这样，连接到光电倍增管的电子设备首先会同时记录到两束来自正负电子湮灭的γ射线，紧接着在5微秒之后又会探测到第三束来自中子的γ射线。一对γ射线先同时出现，延迟5微秒后，收到第三次γ射线，这种信号非常独特，不大可能与检测器探测到的任何其他粒子过程相混合，这也就排除了令人头痛的其他干扰。也正是这个原因，才可能确定在核反应堆中探测到的就是中微子，即使反应堆是比核爆炸弱得多的粒子源。

相较核爆炸，核反应堆还有其他优点。例如，与其提供一个超短的、一两秒钟的时间窗口来检测中微子，还不如连续几周、几个月甚至几年对其进行监测。这样做当然也不会有实验室被烧成灰烬的风险，更不需要有人冒着生命危险从受辐射污染的地方取回探测器。[88]