登陆注册
45051500000012

第12章 1995年诺贝尔物理学奖——中微子和重轻子的发现(1)

1995年诺贝尔物理学奖的一半授予美国加州斯坦福大学的佩尔,奖励他发现了τ轻子,另一半授予美国加利福尼亚州欧文加州大学的莱因斯,奖励他检测到了中微子。

佩尔和莱因斯是对轻子物理学作出重大贡献的两位美国物理学家。这是继鲍威尔(1950年发现π介子),张伯伦与西格雷(1959年发现反质子),丁肇中与里克特(1976年发现J/ψ粒子),鲁比亚和范德米尔(1984年发现W±、Z0粒子),莱德曼、施瓦茨和斯坦博格(1988年发现中微子有不同属性),夏帕克(1992年发明多丝正比室)等人之后,国际科学界又一次将诺贝尔物理学奖这一殊荣授予实验高能粒子物理学领域的科学家,人数占本世纪后半叶的总领奖人数的12%。

从这一统计数字可以看出,实验高能粒子物理学的成就非常突出,是物理学界引以为豪的领域之一。

提到中微子的发现,应该先讲讲几件先驱的贡献。中微子的概念是1930年泡利首先提出的。当时摆在物理学家面前的疑难问题中有一个涉及β衰变。β衰变和α衰变及γ衰变不一样,放射性元素发出的β电子能量是连续分布的,不像α和γ射线具有明确的分立谱。而原子核的能态差是确定的,显然β衰变的连续谱是一种反常现象,不符合能量守恒定律的要求。是某种未知的过程在起作用,把能量带走了,还是能量守恒定律不适用于β衰变。在这个疑难问题面前,玻尔甚至都准备放弃能量守恒定律的普适性,他提出也许能量守恒定律只适用于统计性的过程。泡利是一位思想极为活跃的理论家,他在一封给同行的公开信中提出:“原子核中可能存在一种自旋为1/2,服从不相容原理的电中性粒子。”β衰变中失踪的能量也许就是这一察觉不到的中性粒子——中微子带走的。

费米支持泡利的设想,他在1934年正式提出β衰变理论,很好地解释了β能谱的连续性问题,不久这一理论得到了正电子衰变实验的肯定。然而,由于这种微小的中性粒子既不荷电,又不参与强相互作用,质量微不足道,它的存在一直未能得到实验验证。人们只能从能量和角动量的分析,论证这一幽灵式的基本粒子的存在和所起的作用。

在众多的探讨中微子的实验方案中,中国物理学家王淦昌提出的方案格外引人注意。他在20世纪40年代初从中国的抗战大后方向美国《物理评论》杂志提交了一篇简短的论文,建议把普通β衰变末态的三体,变为K俘获的二体,就有可能间接观测到中微子的存在。他还特别指出,可取Be→Li作为实验对象。这一建议立即受到实验物理学家的重视。1952年美国的戴维斯果然用这一方法取得了与理论预期值相符的实验结果,初步肯定了中微子的客观存在。

就在这个时候,直接捕捉中微子的工作也开始了。1953年美国洛斯阿拉莫斯科学实验室的莱因斯和考恩领导的实验小组按下列方案探测到反中微子:υ+p→e++n,莱因斯和考恩为了防止误判的出现,采用了同时探测中子和正电子的方法。来自反应堆裂变产物的反中微子,射入掺有大量氯化镉(CdCl2)的水靶箱中。在0.2μs内正电子必与电子相遇而湮灭,同时发出γ光子,γ光子被两侧的闪烁器符合地探到。光子总能量估计约为9MeV。中子则受到水的慢化,被镉核俘获。

莱因斯和考恩的设计思想颇为巧妙,考虑到中子在产生后最多在10μs内会被俘获,专门设计了延迟符合计数器。

经过周密准备和认真测试,实验小组在预期的能量范围和时间间隔内,得到了肯定的结果。中微子这个充斥宇宙的“幽灵”终于被捕捉到了。

佩尔也是美国科学院院士,1955年在哥伦比亚大学取得物理学博士学位,后到斯坦福大学直线加速器中心(SLAC)任职,曾参与里克特领导的实验小组并一起发现J/ψ粒子。1966年SLAC在3km长的直线加速器上组织实验,试图从高能电子与靶核的碰撞中发现新的粒子,但没有得到任何结果。1972年SLAC在直线加速器近旁建造了一座正负电子对撞机,取名为SPEAR。存储环直径约80m。直线加速器提供的正负电子束注入存储环后,在磁场的作用下以相反的方向绕环道运行,最后在指定的地点作对头碰撞。佩尔领导的实验小组在这台设备上从1974~1977年进行了一系列实验,终于在4GeV能区发现了一个比质子重两倍,比电子重3500倍的新粒子,其特性类似于电子和μ子。经过反复检验,证明是在电子和μ子之外的又一种轻子。新的轻子以希腊字母τ表示,取自Triton(氚核)的第一个字母。

佩尔小组最初得到的迹象是在一万个各种类型的事例中,找到24个电子-μ子事件,可以用下列式子表示:电子+正电子→电子+反μ子+(i.p.)

电子+正电子→正电子+μ子+(i.p.)

式中(i.β。)代表不可见的粒子,在探测器中不留任何痕迹。探测器只能记录下电子(或正电子)及电荷符号相反的反μ子(或μ子)。

正负电子对撞后,先产生的是一对重轻子,即后来命名的τ子。他们设想这对正反τ子衰变得极快,离开碰撞点不到几毫米就衰变掉了,因此难以观测到。观测到的是电子和μ子,说明正负τ子衰变成了电子(正电子)或μ子(反μ子)。但是又由于衰变过程中轻子数必定守恒,在反应中除了电子中微子(或μ子中微子)还应有τ子中微子参与。于是反应的衰变产物应为:τ子→电子(或μ子)+几个中微子,τ子→反μ子(或正电子)+几个中微子,当然,中微子是看不见的,只能根据能量和动量的计算作出判断,所以,图中中微子的轨迹是虚线。

重轻子的发现不仅增添了人类关于基本粒子的知识,在理论上也有重大意义。下面我们来简单回顾一段历史。

1964年盖尔曼等人提出夸克模型理论,在粒子物理学的发展中是一个飞跃。这个理论认为所有的重子都是由三个夸克构成,介子则是由一个夸克和一个反夸克构成,很好地解释了各种重子和介子的性质。夸克模型理论预言的Ω-粒子,很快得到实验的证实,但在研究强子的弱作用时遇到了困难。1970年格拉肖等人提出GIM模型理论,根据夸克和轻子的弱相互作用有相似的特点,认为它们之间有对称性,四种轻子(电子、μ子、电子中微子、μ子中微子及其反粒子)应该对应于四种夸克,并预言了第四种夸克的特性,取名为粲夸克。1976年丁肇中和里克特发现了J/ψ粒子,J/ψ粒子可以解释为粲夸克与反粲夸克组成。这一发现对GIM模型理论当然是一有利的判据。

然而就在第二年佩尔小组发现了第三代轻子(τ子、τ子中微子及其反粒子组成第三代轻子)。于是人们进一步设想,夸克也应有第三代,并根据这一对称性建立起标准模型理论。第三代夸克分别取名为底夸克和顶夸克。1977年发现的γ粒子,揭示了底夸克的存在。顶夸克直到1994年才由费米国家实验室找到。

中微子和重轻子的发现使人们对于微观世界的认识大大跨越了一步。但是人类对物质世界的认识是没有止境的。还有没有第四代基本粒子,很难作出预言。这是物理学尚未解决的问题,如果还有,标准模型理论又要作重大修改。

诺贝尔物理学奖再次授予粒子物理学家,说明这一领域在整个科学技术中的地位进一步得到了社会的承认。粒子物理学不但为人们提供了重要的对物质世界的认识,使人类掌握自然界更深层次的规律,而且这种认识对于其他学科也有深远影响。

同类推荐
  • 探究式科普丛书-生活的底片:电影和电视

    探究式科普丛书-生活的底片:电影和电视

    本书将电影的概念性、艺术性和技术性巧妙融合在一起,系统地介绍了电影的发展史,以及与电影一路走过来的特殊人物和一些电影常识。从专业的角度把电影、电视的制作过程向读者展示开来,让神秘的银屏摘下神秘的面纱,以其庐山真面目展现在读者眼前。让我们一起畅游在电影电视中,去寻找艺术的真谛!
  • 数学教学的趣味名人设计

    数学教学的趣味名人设计

    数学是一门逻辑性非常强且非常抽象的学科,要让数学教学变得生动有趣,关键在于教师要善于引导学生,精心设计课堂教学,提高学生的学习兴趣。在数学教学中,教师应当采取多种方法,充分调动学生的好奇心和求知欲,使学生在每一节课中都能感受学习的乐趣、收获成功的喜悦,从而提高学生自主学习和解决问题的兴趣与热情。只有这样,才能使学生愉快轻松地接受数学知识,并取得良好的教学效果。
  • 开拓学生视野的传奇故事:海中钻出的小岛

    开拓学生视野的传奇故事:海中钻出的小岛

    《开阔学生视野的传奇故事:海中钻出的小岛》收集的一个个传奇故事,是从古今中外广为流传的优秀故事中精选而来的。有的是以历史事实为依据,加以整理;有的是以文学名著为蓝本,加以缩写;有的是以民间传说为素材,加以改编。每篇故事短小精悍,语言通俗浅显,力求生动活泼。每则故事都能使你感到惊异神奇,妙趣盎然。
  • 动手做实验丛书--化学实验器材巧用

    动手做实验丛书--化学实验器材巧用

    本系列丛书主要介绍动手做实验,本书详细讲解了化学实验器材巧用等内容。
  • 目击天安门-(一)

    目击天安门-(一)

    本书选择了中国政治变迁的聚焦点——天安门这一独特的视角,完整系统地记述了天安门历经的沧桑巨变,挖掘出中国100多年,特别是建国50年来天安门地区发生的政治事件的内幕秘闻,是一部中国的近现代史的展现。
热门推荐
  • 梦幻情缘之星际爱情

    梦幻情缘之星际爱情

    本书讲的是主人公夏洛重生到别的星球经历的一段爱情故事,主人公夏洛曾经说过:“我一见到你我就知道我喜欢你,但现实是残酷的而面对你的爱却是梦幻的,我真的好想拥有你!”之后夏洛能回她原来的星球吗?敬请期待吧!
  • 我本神话

    我本神话

    一代杀手之王被人在‘暗’官方中通缉,为了找到通缉自已的人,林烨回到了华夏国。当杀手之王回来的时候,才发现,这些都是被别人给安排好的,目的就是让他回来。这下子的,林烨不干了!靠,什么?让我去当大公司的老板?哥不干!啊?公司里有很多的美女?这个…好说!嗯?追的话公司还给报销?没什么好说的!去!一定要去,就算是把我打死了我也要去!
  • 腹黑Boss,算你狠

    腹黑Boss,算你狠

    六岁她就开始跟在俞遥身后,十五岁表白,十多年的感情比不上富二代千金。她从此不再期待爱情。终于有一天,母上用菜刀逼着:一年之内必须找个男人,结不了婚先处着也行!结果相亲走错包厢,闹了乌龙,惹上腹黑BOSS,坑爹啊,让她怎么活啊!
  • 天行

    天行

    号称“北辰骑神”的天才玩家以自创的“牧马冲锋流”战术击败了国服第一弓手北冥雪,被誉为天纵战榜第一骑士的他,却受到小人排挤,最终离开了效力已久的银狐俱乐部。是沉沦,还是再次崛起?恰逢其时,月恒集团第四款游戏“天行”正式上线,虚拟世界再起风云!
  • 阳光的背后

    阳光的背后

    正义的背后是邪恶,科学的背后是迷信,快乐的背后是悲伤···阳光的背后是什么?你会不会想到,有那么一群人,背负着与生俱来的使命,传承着早已被遗忘的历史,生活在阳光的背后。“如果我的宿命就是为了终结这场恩怨,那就让我去完成属于我的使命!”——唐小军
  • 宁静的呼吸

    宁静的呼吸

    前言:理想和现实之间总是横跨着一条长江,我们生活在现实里,理想就在对岸,理想的对岸要比我们生活着的现实里要绚丽的多,但只看得见,却又遥不可及。很多人都想到对岸去,可真正能渡过江的没有几个。过去的人都是经过千辛万苦、历经磨难的幸运者......
  • 人生高起点——解读辉煌密码

    人生高起点——解读辉煌密码

    成功是一种追求的精神、成功是一个奋斗的过程、成功是对生命的承诺、成功在于投资自我,改造自我、成功在于管理时间让时间增埴。本书教您解读辉煌密码,成就成功人生!
  • 天行

    天行

    号称“北辰骑神”的天才玩家以自创的“牧马冲锋流”战术击败了国服第一弓手北冥雪,被誉为天纵战榜第一骑士的他,却受到小人排挤,最终离开了效力已久的银狐俱乐部。是沉沦,还是再次崛起?恰逢其时,月恒集团第四款游戏“天行”正式上线,虚拟世界再起风云!
  • 穿书之影帝是我男朋友

    穿书之影帝是我男朋友

    一觉醒来我变成了一部言情小说里的炮灰,还是个被女主抢了家传菜谱的炮灰,穿书以来绞尽脑汁避面炮灰局面。拐来的美男帅哥男朋友竟然是女主求而不得的白月光。
  • 天才庶女

    天才庶女

    云紫洛,祁夏国第一丑女,草包废物,自幼订婚四王爷,岂料花轿临门当街被辱,未入夫家便被撵回,未婚夫君与亲姐姐双宿双飞,自己沦为全京城的笑柄,只落得个香消玉殒!21世纪女杀手,惊艳重生!才知道:那张丑颜的背后是如何倾国倾城;那所谓的“天才”姐姐当年盗走了她的创作才一举成名;那场婚姻本就是姐姐与夫君给她设下的阴谋。21世纪女性智慧又怎输古人!辱我者,辱之!欺我者,欺之!我没有什么高大志向,更没有什么崇高理想。韬光养晦,只为求一方安宁;难得糊涂,不过是不屑计较。若有人触碰了我的底线,那就莫怪我以牙还牙,眦睚必报!云紫洛他既喜欢她姐姐,那她就成全他们双宿双飞,错的是,他不该来招惹自己!