了不起的物理

90 幽靈粒子:中微子

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你可能不知道,你現在看著書本,每秒就有上千億個粒子穿透你的眼睛。並不是光子,光子沒那麽多。這種每秒鍾都在以千億、萬億數量穿過你的身體,但你根本感受不到的粒子是中微子。中微子的質量幾乎等於零,並且它無處不在、不帶電,不像光子那樣會發生電磁相互作用。

這就奇怪了,這麽小的東西還不帶電,那不等於不存在嗎?我們又是怎麽發現它的呢?中子不穩定,會經曆β衰變,變成質子並放出一個電子。但20世紀30年代,人們發現β衰變後,居然有一部分能量丟失了,也就是反應後產生的所有粒子的能量比反應前的能量少。

關於這個問題,著名的奧地利物理學家泡利認為,必定是有一個新粒子產生並帶走了能量,隻不過這種新粒子太小,而且不帶電,以至於我們在實驗室裏無法發現它們,這就是中微子。並且最早的時候,泡利還給這種粒子起名叫中子(Neutron),因為那個時候中子還沒被發現,但這隻是個理論。玻爾反對這個理論,據說玻爾當時已經準備放棄能量守恒定律了,本來能量守恒也隻是一條原理,並不能證明能量守恒一定是正確的。而後來中子被英國物理學家查德威克發現了,泡利提出的這個粒子沒有搶到“中子”這個名字,再之後是“核物理之父”費米,給泡利提出的這個非常小的中性粒子,起名叫中微子(Neutrino),意大利語或者拉丁語加個後綴ino,就表示很小的意思,所以中文翻譯叫中微子。

但是中微子實在是太小了,實驗上不好證明。在1950年的時候,美國物理學家柯萬(Cowan)和萊茵斯(Reines)設計了一個實驗,他們認為如果中微子真的存在的話,就應該可以用中微子來和質子反應,達成一個β衰變的逆反應。這個實驗是先準備一個核反應堆,因為核反應裂變的過程就是大量的β衰變發生的過程,有大量的β衰變就應該有大量中微子產生,再把這些中微子跟大量質子發生反應,應該能產生β衰變的逆反應。獲取大量質子隻需要準備一缸純淨水就可以了,水分子裏麵有大量質子。這個逆反應如果能發生,就說明真的存在中微子,若非如此,一缸水放在那裏什麽反應都不會有。最終柯萬和萊茵斯的實驗證明,核反應堆裏出來的東西確實可以讓一缸水發生β衰變的逆反應,放出伽馬射線,由此便證明了中微子的存在。