第5章 幽靈獵手——中微子
正是從恒星中湧出的中微子將核心的內爆轉變為超新星爆炸,將恒星的外殼吹向太空。這些氣體注定會成為醞釀、誕生新一代恒星的溫床。如果沒有中微子,生命所必需的元素將永遠禁錮在恒星內部。
中微子物理學在很大程度上是一門什麽都觀察不到,卻能學到大量東西的藝術。
——哈伊姆·哈拉裏(Haim Harari)[66]
我做了一件可怕的事情:我假設了一個無法檢測到的粒子。
——沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli)
1956年6月14日,南卡羅來納州薩凡納河
在開車去炸彈工廠的路上,弗雷德裏克·萊因斯(Frederick Reines)一直在唱歌,他喜歡唱歌就像他喜歡物理一樣。萊因斯在新澤西上大學的時候曾求教大都會歌劇院(Metropolitan Opera)的聲樂老師,並參演了亨德爾(Handel)創作的《彌賽亞》(Messiah)中的獨唱。[67]據說,在遇到特別棘手的理論問題時,萊因斯經常把自己鎖在辦公室裏唱幾個小時的歌。6月的一個早晨,當萊因斯優美的男中音從搖下的車窗裏傳出來時,還真吸引了不少行人。但這一次,他是因為難以抑製內心的激動才唱歌的,在經過將近一年的艱苦工作(如果把前期努力都算上的話,應該是5年),萊因斯及其團隊即將實現某個不可能實現的目標。
艾肯(Aiken)是一個美麗的海濱社區,自1955年11月以來,研究團隊就定居於此。從艾肯到薩凡納河工廠(Savannah River Plant)有8英裏(約13千米)遠。當萊因斯駕車駛出鎮子的時候,山茶花和木蘭花的芳香隨著濕熱的空氣從窗口飄進來。這使他想起剛從洛斯阿拉莫斯的大沙漠來到這裏的那天,南卡羅來納看起來充滿了異域情調。他第一次從艾肯開車出來,穿過沼澤般的薩凡納河穀時,車子忽然碾過路上的什麽東西,接著,車子就像經過減速帶那樣猛地一顛,他回頭一看,竟然是一條響尾蛇。[68]
在薩凡納河工廠的門口,萊因斯的車子排在了長長的兩排車隊的後麵。這個工廠有5座核反應堆、幾套分離裝置以及核廢料的儲存設施,麵積比紐約市還大,雇用了近4萬人。當美國政府宣布計劃建造該工廠時,曾謊稱不是為“製造原子武器”而建的。但每個人都心知肚明,這座工廠生產的產品是製造核武器的核裝藥——這就是為什麽在艾肯的商店和海灘酒吧,人們私下裏都把薩凡納河地區稱為“炸彈工廠”。[69]
1949年9月初,美國空軍一架B-29轟炸機在蘇聯太平洋沿海上空偵察時,確信嗅到了原子彈爆炸的氣息。像在洛斯阿拉莫斯的大多數同事一樣,萊因斯也曾加入曼哈頓計劃,參與了第一枚原子彈的製造。他還清楚地記得,當聽到美國已經失去了核壟斷的地位時大家震驚不已的表情——廣島核爆炸才過去4年,蘇聯人就趕上來了。
為了對抗蘇聯的威脅,美國總統哈裏·杜魯門(Harry Truman)著手推動研製一種超級炸彈,其破壞力讓原子彈都相形見絀。這需要在全國範圍內建造大量設施,不僅需要製造這種氫彈的核裝藥,還要把氫彈組裝起來。作為該計劃的一部分,1950年11月28日,美國政府宣布征用薩凡納河附近約500平方千米的土地用於製造核彈的兩種關鍵元素:氚和鈈。為此推平了4個城鎮,遷移了6000人,到1952年初,炸彈工廠全麵投產。[70]
1952年11月1日,美國在伊魯吉拉伯島(Elugelab)引爆了一枚氫彈。伊魯吉拉伯島是埃內韋塔克環礁(Enewetak Atoll)的一部分,該環礁島位於太平洋上。這顆氫彈的破壞力是廣島原子彈的700倍,整個伊魯吉拉伯島都蒸發不見了,直徑達150千米的放射性蘑菇雲衝入雲霄,並在海底炸出了一個2千多米寬、16層樓那麽深的大坑。然而,僅僅9個月後,也就是1953年8月,就傳來了令人難以置信的消息:蘇聯人也成功引爆了自己的“氫彈”。盡管當時蘇聯的設計還不能通過等比放大以達到更大的爆炸當量,但大家都知道這隻是時間問題。果然,1955年11月22日,蘇聯在哈薩克斯坦(Kazakhstan)的塞米巴拉金斯克(Semipalatinsk)試驗基地引爆了第一顆真正的氫彈。
終於排到萊因斯了,他從敞開的車窗裏晃了一下自己的證件,就朝著粗笨龐大的P反應堆加速駛去。薩凡納河核工廠擁有5座反應堆,分別以R、P、K、L和C命名,字母是隨機選擇的。這些反應堆間距2.5英裏(約4千米),是為了防止被蘇聯一擊全滅;反應堆呈馬蹄形曲線分布,以便規避直線轟炸。每一個反應堆都非常巨大,僅地麵以上的部分就有60米高。為加強防護,反應堆在地下還有12米。正是這一點吸引了萊因斯及其團隊。他們從新墨西哥州來到這裏追求他們夢寐以求的獵物:一個25年前就被預測到的幽靈般的亞原子粒子,它的存在肯定會在今天被證實。
1930年12月,瑞士蘇黎世
這種難以琢磨的粒子是由奧地利物理學家泡利預測的。沃爾夫岡·泡利自幼聰明過人,他在21歲時就寫了一篇關於相對論的綜述文章,其精辟程度讓相對論的創立者愛因斯坦都刮目相看。事實上,這位著名的泡利先生自信得近乎傲慢,有一次愛因斯坦演講結束後,泡利站起身轉向聽眾,向他們保證:“愛因斯坦教授所說的並不完全是愚蠢的。”[71]
20世紀20年代中期,泡利因其對原子以及構成原子的亞微觀世界做出的革命性描述而成為量子理論的主要創建者之一。事實上,他的名字因泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)而不朽。這一原理禁止兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態,從而在理論上使原子和日常世界的存在成為可能。
到了20世紀20年代末,一個新的謎團開始困擾泡利和他的同事們。這個謎團與放射性β衰變(decay)有關。β粒子是來自不穩定原子的內部,或者說是原子核的三種不同類型的輻射產物之一。不穩定的原子通過衰變,重新安排原子核的結構以使其達到一個更穩定的狀態。1899年,也就是法國人亨利·貝克勒爾(Henri Becquerel)發現自發放射性的3年後,新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福指出:β粒子是電子,並且不是像圍繞太陽公轉的行星那樣圍繞原子核旋轉的普通電子,而是來自原子核內部的電子。
在原子核的世界裏,更高的穩定性是更低的能量的同義詞。因此,當原子核衰變時,總是從能量較高的能級躍遷到能量較低的能級,並以α粒子、β粒子或γ射線的形式釋放出多餘的能量。實驗人員觀察到,α粒子和γ射線釋放出的能量總是固定不變的,如果三種核輻射釋放出的能量都等於原子核輻射前後狀態的能量差,那就十全十美了。然而,在1914年,英國物理學家詹姆斯·查德威克發現β粒子並非如此。與α粒子和γ射線不同,β粒子攜帶的能量並非固定不變,而是在一定的範圍之內連續分布。
我們用槍來打個比方。如果發射子彈的能量確定不變,那麽每顆子彈都會以同樣的速度從槍口射出。絕不會出現以下這樣的情況:第1顆子彈以中等速度射出,第2顆子彈以高速射出,第3顆子彈的速度則太慢了,以至於它剛一出槍口,就掉在了地上。然而,小電子子彈在β衰變時,就是以這種不可能的方式射出的。這無疑使物理學家們對查德威克的實驗結果感到莫名其妙。
當然,β粒子的行為可能並沒有什麽特別之處。或許在逃逸之前,這些β粒子像彈球機裏滾動的彈球一樣在原子內部來回彈跳,撞擊了多個電子,並將一部分能量轉移給了其他電子。然而,1927年,這種可能性被劍橋大學的查爾斯·德拉蒙德·埃利斯(Charles Drummond Ellis)和威廉·阿爾弗雷德·伍斯特(William Alfred Wooster)的實驗排除了。[72]β粒子仍然是未解之謎。事實上,這個有難度的問題反倒激起了玻爾的興趣。尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾,量子理論的創立者之一,也是20世紀繼愛因斯坦之後最偉大的物理學家之一。在考慮β粒子之謎時,玻爾對物理學的基石之一——能量守恒定律——提出了質疑。能量守恒是指能量既不能被創造,也不能被消滅,隻能從一種形式轉換為另一種形式。玻爾認為,在原子世界中,也許能量的轉換並不遵循守恒定律。
我們再回到泡利,當時他是蘇黎世聯邦理工學院的物理學家,對泡利來說,能量守恒就像暴風雨中波濤洶湧的大海裏的救生筏,放棄它是絕對不可想象的。“玻爾完全走錯了路。”他說。但是,如何解開β粒子之謎呢?
那時泡利正經曆著其一生中最糟糕的一年。兩年前的1927年11月,他的母親在被其父親拋棄後而自殺了,這件事對泡利造成了重大影響。1929年5月,他退出了天主教會——毫無疑問,泡利覺得他被上帝拋棄了。此後,在1929年12月23日,泡利與來自柏林的凱思·德普納(K?the Deppner)結婚了。當時德普納23歲,比泡利小6歲,是一名卡巴萊[1](cabaret)歌舞演員。德普納遇到泡利時已經和一位名叫保羅·高爾德芬格(Paul Goldfinger)的藥劑師在約會了,而且在他們婚後,德普納和這位藥劑師也一直保持著關係,她甚至都沒和可憐的泡利住在一起。泡利曾這樣告訴一位朋友,他的婚姻是“鬆散型的”。[73]
德普納最終選擇離開泡利,跟另外一個男人生活在一起,這令泡利傷心不已,但更讓泡利感到羞辱的,是那個男人的身份傷害了他作為一流科學家的自尊心。“要是跟一位鬥牛士跑了,我還能理解,”他向朋友們抱怨道,“她怎麽會看上這麽個不起眼的藥劑師!”[74]
婚姻的不如意導致泡利開始酗酒,還養成了吸煙的習慣。[75]“我根本無法很好地與女人相處,”他絕望地寫道,“恐怕我不得不忍受這一點,但忍耐也是有限度的,也不容易忍著。我有點擔心,隨著年齡的增長,我會越來越孤獨。”[76], [77]
在夫妻關係最緊張的時期,泡利將全部精力放在量子理論引發的棘手問題上,也許這能幫助他暫時擺脫情感困境,但也可能使他和德普納的關係雪上加霜。德普納說,泡利收到了許多物理學家的來信,尤其是量子理論先驅沃納·海森堡(Werner Heisenberg)的。收到信後,泡利在他們的公寓裏走來走去,“像一頭關在籠子裏的獅子……以最尖刻、最詼諧的方式寫出自己的觀點”。[78]正是在那痛苦的11個月,也就是和德普納保持若即若離的婚姻的那段時間裏,泡利想出了解決β粒子衰變難題的方案。
1930年12月4日,在德國召開的一次會議上,泡利發布了一份公開信,向其他科學家提出了他的方案。[79]信的開頭這樣寫道:“親愛的女士們、先生們:不幸的是,我不能親自到圖賓根(Tübingen)來。因為12月6日至7日晚上蘇黎世的舞會不能沒有我。”舞會在蘇黎世市中心最著名的巴爾拉克酒店(Baur au Lac Hotel)舉行。盡管和德普納離婚才過去10天,但在感情上傷痕累累的泡利已經打算馬上重新振作起來,給自己再找一個女人。
在圖賓根會議上,這封信被高聲朗讀出來,聽眾就包括後來在核裂變的發現過程中發揮關鍵作用的莉澤·梅特納(Lise Meitner)。泡利指出,假設β衰變中的能量本來是固定的,如果存在某種迄今未知的粒子和β粒子共享該能量,那麽也可以解釋為什麽從原子核發射的電子不具有固定能量。
再想想那支槍。如果子彈從槍管中射出時,伴隨著另一個未知發射體,則兩者共享發射時提供的能量。此時,如果未知發射體分得的能量少,那麽子彈分得的能量就多,使其以高速射出;如果未知發射體分得的能量多,那麽子彈分得的能量就少,使其以極低的速度射出槍口就掉落在地。事實上,子彈所得的能量範圍取決於那個發射體帶走了多少能量。
然而在β衰變過程中,誰也沒見過由原子核發出的任何與電子相伴的粒子。因此,泡利的新粒子一定很少與正常物質的原子相互作用。事實上,泡利估計需要10厘米厚的鉛牆才能阻止其前進。
泡利也考慮了這個假想粒子的具體性質,如果真有這種粒子的話,為了不明顯影響原子核的質量,它必須很輕。但泡利並沒有意識到,它可能並不存在於原子核中,而是在發射電子的那一刻才產生,就像光在發射時才形成光子一樣,絕對不是從預先存在於原子內的光子包裏拿出來的。泡利還特別提到了假想粒子的電荷,電荷和能量一樣,既不能被創造,也不能被消滅。例如,在β粒子衰變時,總電荷量沒有淨變化——盡管原子核的正電荷增加了,但發射的電子攜帶了一個單位的負電荷,對正電荷進行了補償。[2]為了不破壞這種微妙的平衡,新粒子一定不帶電荷。意識到它是電中性之後,泡利把它命名為中子,後來被改稱中微子(neutrino)。
“對這個假設發表的任何東西,我都沒有任何把握。”泡利在他給圖賓根會議的信中寫道。中微子是一個“絕望的補救措施”,因為在1930年,人們隻知道物質的三種亞原子結構:原子核中的質子、環繞原子核的電子和光的粒子——光子。如果泡利再添加一個粒子,就將大自然的基本構件數量增加了1/3。
1931年6月16日,在加州帕薩迪納舉行的美國物理學會首屆夏季會議上,泡利第一次公開了自己對中微子的預測。但物理學家們開始關注它已經是4個月之後,由費米在羅馬組織的一次會議上發生的事了。恩裏科·費米(Enrico Fermi)注定是自伽利略以來最偉大的意大利科學家,他和泡利一樣對量子理論做出了重要貢獻。費米立刻被這位奧地利物理學家的想法迷住了,不僅因為這個想法解決了β粒子的能量分布問題,而且解決了另一個難題——自旋。
物理學家們發現,亞原子粒子看上去好像在旋轉,盡管它們並沒有旋轉。就像亞微觀量子領域的其他事物一樣,自旋也是以不可分割的整體,或者說是以“量子”形式出現的。由於自旋電荷的作用類似一塊小磁鐵,因此可以從運動粒子在磁場中偏轉的形態來推斷其自旋。質子、中子和電子的自旋都是一個特定值的1/2(出於曆史的、令人費解的原因,自旋的最小值是某一特定值的一半)。[80]那些主要由費米確定的具有半整數自旋的粒子,統稱為費米子(fermion)。
亞原子粒子的自旋就像電荷和動量一樣,也是永遠不變的物理量之一,或者說是守恒的。[3]然而,如果1個中子(自旋1/2)衰變成1個質子(自旋1/2)和1個電子(自旋1/2),最後的總自旋可能有兩種結果:如果衰變後得到的質子和電子的自旋方向相同,則總自旋為1;假如衰變後得到的質子和電子的自旋方向相反,則總自旋相互抵消,數值為0。這兩種情況的自旋數值都不等於衰變前的總自旋1/2,這違反了自旋守恒。好在泡利在給圖賓根會議的信中不僅提出了中微子不帶電荷、質量很小,以及很少與正常物質相互作用,而且泡利還假設了中微子擁有1/2的自旋。如果是這樣,在衰變後的質子產物中加上中微子,那麽質子、電子和中微子(1/2+1/2-1/2=1/2)的自旋就有可能等於衰變前中子的自旋(1/2),符合自旋守恒。
泡利的預測同時解決了許多問題,而且,他預測的中微子所具備的特性,諸如自旋、電荷、質量和穿透能力等,都通過實驗觀測得到了證實。在物理學曆史上,還從來沒有人做出過這樣成功的預測。這也激發了費米的想象力,1931年10月的羅馬會議一結束,他就決定著手開發革命性的β衰變理論。[81]
就在費米醞釀β衰變理論的幾年裏,前麵也有提到過,兩種新的亞原子粒子被發現了,那就是中子和正電子。1932年8月,加州理工學院的卡爾·安德森在帕薩迪納研究宇宙射線時,發現了第一個反物質粒子——一個帶正電荷的孿生電子,取名正電子。[4]1932年1月,英國劍橋大學的詹姆斯·查德威克發現了原子核中的第二種組分,其質量與帶正電荷的質子相同,但不帶電荷的中子。正是中子的發現,使費米為泡利假設的粒子起了一個新名字——“Neutrino”,即中微子。“Neutrino”一詞在意大利語中有“小的、中性的東西”的意思。
費米發表於1934年的β衰變理論非常成功。這個理論表明,除了眾所周知的萬有引力和電磁力之外,還存在第三種基本的自然力。費米把這種新的相互作用稱為弱力,弱力隻在原子核內很短的距離內起作用,這也是以前沒有人注意到它的原因。弱力的作用是把原子核中的1個中子變成1個質子,同時產生1個電子和1個反中微子(antineutrino)。
費米的理論也容許逆向過程發生,即質子捕獲中微子,轉變成中子並放射出正電子(事實上,中微子就是在這一過程中產生的。β衰變中產生的是反中微子,這正是泡利預測所表述的事情)。物理學家漢斯·貝特和魯道夫·佩爾斯(Rudolf Peierls)立即指出,依據費米的理論,這種逆β衰變(inverse beta decay)發生時,中微子在飛向質子時會撞上其他物質,從而被探測到,但實際上,這種情況極少發生。
費米並沒有說弱力這種新的相互作用毫無意義。事實上,弱力比電磁力——那種把我們體內的原子聚集在一起的力——弱10萬億倍。這種力太微弱了,由計算得知原子核中的質子捕獲中微子的概率接近零。[82]盡管泡利認為一塊大約10厘米厚的鉛板差不多就可以擋住中微子,但根據費米的理論,似乎需要好幾光年厚的鉛板才行。[5][6][83]正如美國小說家邁克爾·查本(Michael Chabon)隨後評述的那樣:“如果你想不被中微子打到,就需要把自己包裹在8光年厚的鉛裏麵,這還是所需的最小厚度。我猜這些小渾蛋無處不在。”[84]
盡管費米的β衰變理論支持中微子存在,但許多人依然懷疑它是否存在。這怎麽能怪他們呢?就連諾貝爾獎得主、美國物理學家利昂·萊德曼(Leon Lederman)也曾評述道:“中微子……必將贏得極簡主義大賽的冠軍:零電荷、零半徑,而且極有可能還是零質量。”[85]
在這些持懷疑態度的人中就有英國天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓。“此刻,核物理學家們正忙於撰寫想象中的粒子,即所謂中微子的文章,試圖解釋β衰變中特定的觀測現象,”他說,“或許最好將中微子描述為分離出去的微弱自旋能。我對中微子理論不太感興趣。”
然而,愛丁頓並沒有說他不相信中微子:“我必須意識到,物理學家就像是藝術家,你永遠不知道他接下來要上演哪一出。”愛丁頓認為,如果的確有中微子,那麽就要證明它的存在。但即使是這個時候,愛丁頓也很謹慎。“我敢斷言實驗物理學家們缺乏足夠的創造力製造不出中微子嗎?”他說,“不管心裏怎麽想,都不要冒險拿實驗物理學家的技術來打賭。如果他們成功地製造出了中微子,甚至開發出了中微子的工業應用,我想我不得不相信,但我可能會覺得他們搞了小動作(發現,還是製造?)。”[86]
即使對那些相信中微子存在的人來說,中微子的不可探測性也是一個難以克服的問題。具有諷刺意味的是,雖然生活中的泡利是一個非常害怕孤獨的人,但他預測了宇宙中最孤僻的粒子的存在。這種粒子孤僻到幾乎與宇宙中的任何東西都不產生相互作用。“我做了一件可怕的事,”泡利說,“我假設了一種無法被探測到的粒子。”前沿物理學家一致認為不可能探測到中微子。事實上,泡利自己就以一箱香檳為賭注跟人打賭說,沒人能找到中微子。
1955年11月,新墨西哥州洛斯阿拉莫斯
十多年來,弗雷德裏克·萊因斯一直在做“不可能”完成的事情。1944年,他加入曼哈頓計劃時所做的事情看起來就是不可能的,那就是讓核原料釋放出比等量的炸藥多100萬倍的能量。但他們於1945年7月16日在阿拉莫戈多(Alamagordo)完成了這一壯舉。“我成了死神,世界的毀滅者。”曼哈頓計劃的負責人羅伯特·奧本海默在觀看了新墨西哥沙漠上空的蘑菇雲升入黎明的天空時,引用了《薄伽梵歌》(Bhagavad Gita)中的這句名言。
接下來,萊因斯又與研究團隊一起解決另一個不可能:製造超級炸彈——一種用原子彈觸發、釋放能量的原理如同太陽的裝置。1952年11月1日,他們實現了這一壯舉,在埃內韋塔克環礁引爆了氫彈。
研究團隊總是麵臨著不可能的挑戰,但他們總能勇往直前、取得勝利。例如,1951年測試增強型原子彈時,他們很清楚,爆炸產生的強烈γ射線將會使從炸彈塔到儀器掩體的信號電纜中產生強烈的電湧,燒毀電子器件。在可撤退範圍內唯一能提供可靠防護的就是試驗核彈的那座島,所以他們隻能把島一側的土堆到島的另一側以提供防護。[87]
原子彈試驗帶來的不可能的挑戰使所有參與的人都產生了一種“勇往直前”的精神,一種“目光遠大”的誌向。正是這種精神促使萊因斯挑戰探測核彈爆炸產生的中微子,這又是一項不可能完成的任務。
1951年,在埃內韋塔克環礁成功地進行了一係列核試驗後,萊因斯回到了美國。在經曆了6年艱苦的核武器試驗工作之後,他疲憊不堪,亟須休整一下。萊因斯請求洛斯阿拉莫斯理論部門的領導停止給他委派任務,以便讓他有時間思考一下基礎物理學的事。卡森·馬克(Carson Mark)是個開明的人,批準了萊因斯的請求,給他安排了一間辦公室。萊因斯坐在那裏,眼睛盯著一張白紙看了好幾個月,苦苦思考著他到底該幹點什麽。很長一段時間,他都沒有頭緒,但隨後,萊因斯想到了中微子。
在洛斯阿拉莫斯,萊因斯曾是炸彈試驗指導和聯絡小組的成員。有時,該小組會反複討論一些瘋狂的想法,即在核試驗中利用熱輻射、γ射線和中子的強烈爆發進行一些物理學實驗來研究基本的物理現象。所以萊因斯很清楚,核火球會產生一種伴生輻射。當鈾核或鈈核發生裂變時,會產生2個不穩定的子一代核。在向穩定狀態過渡的過程中,每個子一代核平均需要經曆6次β衰變,每次會分裂出1個反中微子。因此,核爆炸會產生異常強烈的反中微子爆發。
探測到反中微子的機會低到幾乎不可能。但是,萊因斯認為,如果每次產生的反中微子的數量足夠多,那麽捕獲到1個反中微子的概率就會提高。
1951年夏季的一天,萊因斯聽說恩裏科·費米正在訪問洛斯阿拉莫斯,並給他在走廊的盡頭安排了一間辦公室。費米因在20世紀30年代早期創立了β衰變理論而贏得了1938年的諾貝爾物理學獎,領獎後,他悄悄逃離了法西斯獨裁者墨索裏尼(Mussolini)統治的意大利。1942年12月2日,費米在美國改變了曆史的進程:在芝加哥大學斯泰格體育場(Stagg Field)西看台下的、由室內壁球館改造成的實驗室裏,他用鈾和石墨建成了一座簡陋的反應堆,利用世界上第一個持續的核鏈式反應釋放了原子核的驚人能量。
萊因斯在敲費米辦公室的門時,感到有些局促不安。當他告訴這位意大利物理學家他想在核爆炸的衝擊波中探測中微子的想法時,費米並沒有否定這個想法。令萊因斯頗感意外的是,事實上,費米同意萊因斯的觀點,即核爆炸是發現這種難以捉摸的粒子的最佳機會。
中微子幾乎不可能被單個原子中的質子俘獲。因此,增加機會的方法就是把大量的原子放在一起。萊因斯估計,如果探測器的質量為1噸左右,就有可能探測到少量中微子。但是萊因斯和費米都不知道下一步該怎麽辦。
費米並未嘲笑萊因斯探測中微子的想法,這增強了萊因斯的信心。問題是隻有他一個人癡迷於此,他缺少幫手,但當萊因斯跨越整個國家,飛往新澤西州普林斯頓參加一個物理學會議時,情況發生了改變。萊因斯乘坐的飛機引擎出了故障,被迫降落在堪薩斯城。和他一起從新墨西哥州來的還有另一位物理學家克萊德·柯溫(Clyde Cowan)。柯溫曾在第二次世界大戰期間與英國人一起研究雷達,1949年加入了洛斯阿拉莫斯實驗室。盡管萊因斯和柯溫都曾是美國炸彈研製小組的成員,但在這之前,他們從未有過適當的交談機會。現在,當他們在堪薩斯城的街道上漫步、等待飛機維修時,兩人相談甚歡。
萊因斯和柯溫的談話很快就轉到了基礎物理學方麵,以及“世界上最難的實驗是什麽”這個問題上,兩人立刻一致認為是中微子的探測。所有人都認為這是不可能的,這反倒激發了他們的研究熱情。二人憧憬著實現這一壯舉後,同事們的反應和自己將獲得的榮耀。他們當場就決定一起合作探測中微子,萊因斯終於找到了幫手。
回到洛斯阿拉莫斯,萊因斯和柯溫鉚足了幹勁,積極籌劃這個項目。於是在1951年末,一個中微子實驗小組誕生了。由於中微子是稍縱即逝的幽靈,幾乎不會在物質的現實世界中現身,所以探測任務被命名為獵幽項目(Project Poltergeist)。
貝特和佩爾斯已經指出,要通過逆β衰變,才能捕獲中微子(更準確地說,是電子型反中微子):在極少數情況下,1個中微子與1個質子相互作用,產生1個中子和1個正電子。因為電子在物質中無處不在,正電子會很快遇到電子,並與之湮滅。湮滅後的正、負電子轉化為兩個高能光子,或者叫作γ射線,朝相反的方向輻射出去。萊因斯和柯溫打算探測的正是這些γ射線——它們代表發生了正負電子的湮滅,也就間接地證明了中微子的存在。
一年以前,也就是1950年,幾個研究團隊發現了示蹤**。當帶電的亞原子粒子或γ射線穿過這種**時,射線經過的地方會發出閃光。這種液態閃爍體發出的閃光很微弱,不過可以用光電倍增管(photomultiplier)來增強這些閃光,並將其轉換為人類可測量的電信號。所以,可以在閃爍體周圍布滿光電倍增管來探測γ射線誘發的閃光。
萊因斯和柯溫設想的中微子探測器包含液態閃爍體和一箱水。水中的大量質子將為中微子提供大量的目標,當中微子和質子相互作用時會產生的一對γ射線,分別穿過水箱周圍裝有液態閃爍體的容器,將被放置在每個閃爍體容器周圍的光電倍增管檢測到。
這個實驗用到的豎井並不特別,然而,萊因斯和柯溫選擇挖掘豎井的地方卻一點也不普通——這正是擁有大無畏思想和敢作敢為精神的兩位物理學家的過人之處。雖然原子彈威力巨大,能製造出毀滅一座城市的熾熱火球,但萊因斯和柯溫還是考慮把探測器安置在離這片地獄中心隻有50米遠的地方。
鑒於沒有任何東西能在這樣的爆炸中幸存,萊因斯和柯溫設想將中微子探測器放置在直徑10英尺(約3米)、深150英尺(約45.72米)的豎井中。他們會先把豎井中的空氣抽走,在炸彈爆炸前的一瞬間,讓探測器自由下落。在2秒的下落過程中,探測器不僅被周圍的井壁保護,免受火球的猛烈衝擊,而且由於探測器是在真空中做自由落體運動,能避免受到穿過土壤的巨大衝擊波帶來的潛在的災難性衝擊。萊因斯和柯溫在豎井的底部鋪上一層厚厚的泡沫橡膠和羽毛,這樣,探測器在觸底時也能得到保護。萊因斯和柯溫打算幾天之後再去取回探測器,因為那時候輻射水平會降低,他們可以冒險快進快出。
事實上,這個非凡的計劃得到了洛斯阿拉莫斯實驗室主任諾裏斯·布拉德伯裏(Norris Bradbury)的批準。內華達炸彈試驗基地甚至已經開始挖掘用來放置探測器的150英尺(約4.57米)深的豎井。但是,在1952年秋,洛斯阿拉莫斯物理學分部的負責人傑羅姆·凱洛格(Jerome Kellogg)問萊因斯和柯溫,是否有可能用核反應堆而不是核彈來進行實驗。直覺上,這似乎不可能,因為核反應堆的中微子源比核爆炸弱1000倍。然而,當萊因斯和柯溫在仔細研究這種可能性時,驚訝地發現這個方案是可行的。
當中微子撞擊質子時,不僅產生1個正電子,還產生1個中子。萊因斯和柯溫意識到,關鍵是不僅要探測正電子,還要探測中子。中子可以用像鎘這樣的物質來檢測,鎘能像海綿一樣吸收中子。將鎘與液態閃爍體混合在一起,就可以探測到中子了。在被鎘原子核吸收之前,每個中子都會在原子核之間不斷碰撞反射,這個過程大約持續5微秒。當中子進入鎘原子核之後,會將多餘的能量以γ射線的形式釋放出來。
這樣,連接到光電倍增管的電子設備首先會同時記錄到兩束來自正負電子湮滅的γ射線,緊接著在5微秒之後又會探測到第三束來自中子的γ射線。一對γ射線先同時出現,延遲5微秒後,收到第三次γ射線,這種信號非常獨特,不大可能與檢測器探測到的任何其他粒子過程相混合,這也就排除了令人頭痛的其他幹擾。也正是這個原因,才可能確定在核反應堆中探測到的就是中微子,即使反應堆是比核爆炸弱得多的粒子源。
相較核爆炸,核反應堆還有其他優點。例如,與其提供一個超短的、一兩秒鍾的時間窗口來檢測中微子,還不如連續幾周、幾個月甚至幾年對其進行監測。這樣做當然也不會有實驗室被燒成灰燼的風險,更不需要有人冒著生命危險從受輻射汙染的地方取回探測器。[88]
1953年早春,萊因斯和柯溫的團隊在車上裝了容量可達300升的中微子探測器、幾桶**閃爍液和幾架電子設備,前往華盛頓州漢福德核工廠(Hanford Engineering Works)生產鈈的反應堆。他們選中的是美國最新、最大的那座反應堆,預計會產生最高的反中微子通量。如果能夠用肉眼“看到”中微子,那麽這座反應堆就會像第二個太陽一樣光芒四射,熠熠生輝。
但在漢福德,獵幽項目被迫暫停了。研究小組要麵對的絕不隻是逆β衰變中產生的中子,很明顯,有一些中子直接來自反應堆核心的裂變核。為了吸收並阻止這些中子到達探測器,研究小組用石蠟、硼砂和鉛在實驗區周圍築起了一堵厚厚的牆。這個辦法奏效了,然而,在探測器中幹擾中微子信號的不隻是來自反應堆核心的中子,還有一些來自太空的東西。
宇宙射線是由爆炸的恒星以及其他劇烈的宇宙事件產生的高能原子核。在地球大氣層的頂部,這些射線猛烈撞擊原子核,產生次級粒子,這些粒子像綿綿細雨一樣穿過大氣層。這些粒子中,穿透能力最強的是μ(muon)子,那是一種重電子。宇宙射線μ子猛烈撞擊萊因斯團隊圍繞實驗區建造的屏蔽層中的原子核,產生了中子發射。不幸的是,這些中子比中微子產生的中子要多10倍。“這次實驗的教訓很明確:很容易屏蔽人為的噪聲,但不可能屏蔽宇宙的噪聲。”柯溫說,“我們感覺已經揪住了中微子的尾巴,但證據還不夠堅實。”
萊因斯和柯溫很失望,但並沒有放棄。他們二人知道,至少實驗中使用的技術是有效的,隻不過需要一個能更好地屏蔽來自宇宙射線幹擾信號的核反應堆。最後他們找到了薩凡納河核彈工廠的P反應堆,由於深埋在地下12米處,P反應堆完全避開了來自太空的威脅。1955年11月,獵幽項目搬到了南卡羅來納州。
1956年6月14日,南卡羅來納州薩凡納河
萊因斯開車駛過一個寫有“危險,不要靠近圍欄,這裏有高中微子通量”的玩笑標牌,把車停在了一輛卡車旁邊。團隊曾用這輛卡車運來了大量濕鋸末。[89]控製室連同嗡嗡作響的發電機安置在一輛拖車裏,相比之下,混凝土的反應堆簡直是龐然大物。地上蜿蜒交錯的電纜線將電信號從12米以下的閃爍體容器中傳送上來,從電纜上麵走過時,萊因斯不得不小心翼翼,以免被絆倒。控製室內,柯溫麵朝布滿示波器、開關和發著光的真空管的牆坐著,監視著探測器的輸出。
獵幽項目最終設計了一種雙層三明治狀的裝置,加入氯化鎘的2層水作為中微子的靶標,靶標與3層液態閃爍體交錯排列。中微子與水箱中的質子相互作用時會產生1個正電子和1個中子,這個正電子與負電子湮滅生成的向相反方向傳播的2束γ射線,在分別穿過水箱兩側的閃爍體容器時,首先幾乎被同時探測到。接下來,會在5微秒後,探測到與正電子同時產生的中子釋放出的另1束γ射線。
獵幽項目已經運行了1371小時。測量到的γ射線信號不僅比背景信號大4倍,反應堆啟動時的信號也比關閉時的信號大5倍。每小時都能探測到3個中微子。
然而,反應堆中核裂變產生的中子穿透反應堆周圍11米厚的混凝土屏蔽層,並在實驗數據中製造出虛假γ射線的可能性依然存在。他們需要添加些屏蔽物,所以當萊因斯因為值了一整晚夜班而累得睡著時,團隊的其他成員正把一袋袋的濕鋸末堆在反應堆的牆上。實際上,他們首選的屏蔽物是南卡羅來納的美食——黑眼豆(Cowpeas),但濕鋸末更容易找到,而且價格更便宜,數量也足夠多。[90]
如果檢測到的一些γ射線來自反應堆產生的中子,多加的這層濕鋸末對此應該會有屏蔽作用,使噪聲信號減少到1/10。萊因斯問:“信號有變化嗎?”柯溫抬起頭,咧嘴笑了笑,說:“沒變化。”這正是萊因斯想聽到的,這說明能穿透反應堆周圍11米厚的混凝土屏蔽層的中子帶來的幹擾並不嚴重。
在拖車外,早些時候,團隊的其他成員已完成了各部分的組裝工作。理查德·瓊斯(Richard Jones)和福雷斯特·賴斯(Forrest Rice)安裝了探測器和鉛屏蔽;大型**閃爍體是由專家F. B. 哈裏森(F. B. Harrison)負責的;奧斯汀·麥奎爾(Austin McGuire)設計了包括閃爍體在內的水箱區;海羅德·克魯斯(Herald Kruse)負責解釋示波器的信號;還有“地鼠”馬丁·沃倫(Martin Warren)。現在,團隊成員們雖然看起來疲憊不堪,但個個興高采烈、神采飛揚,他們互相擊掌、拍背,慶祝克服了最後的障礙,完成了不可能完成的任務。付出了5年辛勤的汗水和努力,終於擒獲了難以捉摸的中微子。[91]
剩下的兩件事就是拍電報報喜和收拾好裝備,駕車回洛斯阿拉莫斯了。
第二天,泡利在蘇黎世聯邦理工學院回了電報:“投遞地址:新墨西哥州洛斯阿拉莫斯1663號信箱。弗雷德裏克·萊因斯和克萊德·柯溫:謝謝告知。耐心之樹結黃金之果。泡利。”
憑借25年前對中微子的預測,泡利真正加入了魔術師的行列。畢竟,即使人們使出渾身解數去狂想,又有誰會想象出像中微子這樣虛無縹緲、幽靈一般、徹頭徹尾怪異的東西呢?泡利之所以做出這樣的預測,唯一的原因是數學邏輯告訴他,中微子必須存在,沒有它,放射性β衰變就沒有意義。
收到電報一周後,泡利在日內瓦附近的歐洲核子研究組織(法語:Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire;英語:European Organization for Nuclear Research,簡稱CERN)——歐洲最大型的粒子物理實驗室——的一次研討會上宣布了中微子的發現。萊因斯在1995年諾貝爾獎獲獎感言中說,慶祝時泡利開了一箱香檳。[92]這確實是個不錯的故事,因為泡利確實用一箱香檳打賭說,中微子永遠不會被探測到。但遺憾的是,事實並非如此。[93]
萊因斯和柯溫可就沒那麽幸運了。在南卡羅來納州的陽光下,他們和團隊成員站在P反應堆外慶祝成功時,隻能用可口可樂代替香檳。[94]
以上隻是中微子故事的開始。看看你的手,每秒鍾有大約1000億個中微子從你的拇指指甲穿過。8分半鍾以前,這些中微子還在太陽的中心。太陽中微子是從使太陽發光的核反應中產生的。
值得注意的是,萊因斯、柯溫的研究小組並不是唯一敢於挑戰探測中微子這一難題的團隊,甚至在薩凡納河工廠都稱不上唯一。1954年,由雷·戴維斯(Ray Davis)領導的一個研究小組在工廠中一個核反應堆的地下室安裝了一個探測器,裝有3800升清洗液——四氯化碳。探測器的設計思路是由恩裏科·費米的前同事、後來前往蘇聯的布魯諾·龐泰科爾沃(Bruno Pontecorvo)提出的。中微子偶爾會與清洗液中的氯原子核相互作用,將其變成氬原子核。氬是很容易分離的氣體。收集到的氬原子核數量應與探測到的中微子數量相一致。
不幸的是,戴維斯碰到了萊因斯和柯溫在漢福德核工廠遇到的類似問題,探測器沒有很好地屏蔽宇宙射線的幹擾,所以戴維斯輸掉了中微子探測的競賽。但他非常執著。20世紀60年代中期,在南達科塔州裏德的荷馬斯塔克金礦的地下礦井深1.5千米處,戴維斯安置了一個裝有40萬升清洗液的探測器,目的是探測來自太陽核心的中微子。令人難以置信的是,戴維斯成功了,從此,他成為看到恒星核心的第一人。
戴維斯麵臨的難題引發了一波驗證他的異常結果的實驗浪潮。事實上,一般認為此次事件開啟了中微子天文學。幾乎所有人都認為戴維斯出錯了,然而與預期相反,新實驗證實了來自太陽的中微子數量確實不足。[95]
太陽中微子之謎有一個頗為意外的答案,目前已經被加拿大安大略省薩德伯裏中微子天文台(the Sudbury Neutrino Observatory)證實:實際上存在三種中微子。戴維斯探測到的是電子中微子(electron neutrino);1962年,紐約布魯克海文國家實驗室(Brookhaven)發現了μ子中微子(muon neutrino);2000年,芝加哥附近的費米實驗室(Fermilab)發現了τ子中微子(tau neutrino)。沒有人知道,為什麽大自然選擇將中微子和所有其他基本構造物誇克(quark)一分為三。但不容辯駁的是,薩德伯裏天文台探測到了三種類型的粒子。根據其2006年的研究表明,隻要把這三種類型的中微子的數量加在一起,中微子的數量就不會出現短缺。
早在1957年,龐泰科爾沃就提出,中微子可能以不同的類型出現,並且在中微子從太陽穿過太空到地球的途中,還會從一種類型轉變成另一種類型。想象一下,一隻狗在街上走了100米後變成了一隻貓;這隻貓走了100米後變成了一隻兔子;然後這隻兔子走了100米後又變回了狗。假設出於某種離奇的原因,你的眼睛隻能看到狗,那麽,也就是說,這段時間內發生的事情,你隻能看到1/3。中微子也是如此。戴維斯的實驗探測器隻對電子中微子敏感,在荷馬斯塔克金礦井中捕捉到的是以電子中微子類型出現的中微子,所以隻能“看到”1/3的中微子。[96]
這種變化暗示中微子可能有質量,盡管許多人認為中微子的質量為零。根據愛因斯坦的狹義相對論,隻有像光子那樣的零質量粒子才能以宇宙終極速度光速運動。對於光子這樣的粒子,相對論預測其時間會減慢到停滯狀態。光子因此不能變化,因為根據定義,變化隻能在時間中發生。然而,中微子確實發生了變化——在三種不同的味之間轉換。這意味著中微子的速度一定比光速慢,因此其是有質量的。
電子是已知的最輕的亞原子粒子,而中微子似乎比電子要小至少10萬倍,毫不奇怪,中微子的質量很難測量。這也表明,中微子獲得質量的方式不同於所有其他基本粒子。其他基本粒子是通過與希格斯場(Higgs ield)相互作用而獲得質量的(見第8章)。希格斯場論是粒子物理標準模型(the Standard Model)的關鍵組成部分。該模型是對自然界中除引力外的三種基本力的量子描述。雖然標準模型可以成功解釋實驗結果,但它不能預測基本粒子的質量和基本力的相對強度,因此被認為是對一種更深入、更令人滿意的理論的近似。物理學家們希望破解中微子是如何獲得質量的難題,可以為這個難以捉摸的萬有理論(theory of everything)找到重要線索。
所以,即使中微子的質量非常微小,但其仍然是宇宙質量構成的重要部分。事實上,如果還存在尚未發現的大質量中微子,那麽中微子可能是宇宙中神秘的暗物質的組成部分,已知暗物質的質量約是可見的恒星和星係的6倍。[98]
但這並不是中微子成為解釋宇宙奧秘的關鍵唯一證據。實驗表明,中微子和反中微子的產生和消亡速率不同,這暗示了物質和反物質之間存在著基本的不對稱性。也許有一天,它可以解釋宇宙中最大的謎團之一——為什麽我們生活在一個幾乎不含反物質的物質世界中?[99]
當萊因斯帶領其團隊在1956年探測到中微子時,他的工作還隻是萬裏長征的第一步。1987年,有兩個研究小組探測到來自另一顆恒星的19個中微子,萊因斯就是其中一個小組的成員。大麥哲倫星雲(the Large Magellanic Cloud)是銀河係的一個衛星星係,SN1987A標誌著大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud)中一顆大質量恒星的爆炸。這是400年來在銀河係中看到的第一顆超新星。
當一顆大質量恒星走到生命盡頭時,會耗盡產生必要內熱的燃料,導致無法對抗強大重力的擠壓。隨著核心災難性地坍縮,溫度上升到極高,在恒星的生命周期中好不容易積累起來的元素通過核反應,分裂成質子、中子和電子。電子被壓縮進質子中,形成一個被稱為中子核(neutron core)的超高密度球。在這個過程中,會釋放出大量的中微子。以SN1987A為例,它釋放出了1058個(相當於100億億億億億億億個)中微子。盡管一顆超新星可以發出與擁有1000億顆恒星的整個星係一樣亮的光,但事實上,僅有1%的能量是以光的形式發射出來的,高達99%的能量是由中微子帶走的。
正是從恒星中湧出的中微子將核心的內爆轉變為超新星爆炸,將恒星的外殼吹向太空,外殼中所含的元素豐富了星際氣體雲。這些氣體注定會成為醞釀、誕生新一代恒星的溫床。如果沒有中微子,生命所必需的元素將永遠禁錮在恒星內部。“大自然為什麽需要中微子?它們有什麽用?”英國物理學家弗蘭克·克洛斯(Frank Close)問道。[100]由泡利提出的“不可能”被探測的粒子對宇宙的重要性超出了所有人的想象,真相驚人。事實上,如果沒有中微子,人類根本不會誕生,也就不會讀到現在這些文字了。
[2]現在知道,在β衰變過程中,原子核中的中子轉變為質子。由於質子和中子都是由3個誇克組成的複合粒子,可以更具體地說,中子中的下誇克變成上誇克,中子變成了質子。
[3]這種表述並不嚴謹。守恒的是角動量(angular momentum),自旋隻是有著固定的角動量(內稟角動量)。
[4]宇宙射線是來自太空的高速原子核,大部分是質子。其中低能的射線來自太陽,高能的射線可能來自超新星。超高能宇宙射線粒子的能量比目前在地球上人工產生的粒子最高能量高出數百萬倍,其起源是尚未解決的巨大天文學難題之一。
[5]在量子理論中,基本力是通過交換攜帶力的粒子(媒介子)實現的。因此,弱力是指攜帶力的粒子很少交換的力,而強力是指頻繁交換媒介子的力。參與弱相互作用的中微子與其他粒子極少交換媒介子,這就是為什麽中微子與其他物質相互作用如此微弱的原因。
[6]光年是指光在一年內在真空中傳播的距離,1光年大約等於10萬億千米。