圖源：Wikipedia
導 讀
中微子在理論上被確立之後，尋找中微子道路上的首個突破來自王淦昌，他在1941年提出間接證明中微子存在的方法，在1952年先後被阿侖和戴維斯實現。1956年，雷納斯和科萬從核電站的原子核反應堆首先發現了中微子，不過與2015年諾獎文件的說法相反，他們的工作與彭蒂科沃無關。1957年，李政道和楊振寧首先指出，宇稱不守恆使得中微子被探測的機率加倍，1969年雷納斯和科萬證明了這一點。1967年，戴維斯用彭蒂科沃的方法探測到太陽發出的中微子，並發現太陽中微子缺失。雷納斯和科萬以及戴維斯走上尋找中微子的漫長道路，都是因為要尋找一個長期致力的嶄新領域，他們最終等到了成功。
撰文 | 施 郁（復旦大學物理學系教授）
責編 | 夏志堅
1
中微子與β衰變
1956年7月，雷納斯和科萬在美國《科學》發表了一篇短文宣布中微子的發現，距今整整63年。
中微子是很重要的基本粒子，1930年首先由泡利預言 [1]。名稱「中微子」（neutrino）來自費米。1932年，海森堡提出原子核由質子和中子組成，而質子和中子可以看成同種粒子的兩種狀態。1934年，費米吸取海森堡的想法，推廣狄拉克的量子電動力學，提出β衰變理論，認為β衰變的本質是中子轉化為質子、電子和中微子（實為反中微子，當時還不知道有正反之別）。因此中微子並不是原子核的組分，而是來自原子核中的中子的β衰變。這是一個劃時代的貢獻，為物理學家建立了這樣一個圖像：在量子場中，粒子不斷地產生和消滅。當然這也是費米對於中微子物理的主要貢獻，遠超過為中微子命名這件小事。
在量子論早期，愛因斯坦和玻爾就提出，電子在原子中不同能級的躍遷伴隨光子的產生和吸收。1926年，玻恩、海森堡和約當在為量子力學奠基的同時，也提出電磁波的量子化，這就是光子。狄拉克在1927年提出電磁場中的原子產生和吸收光子的理論，1928年又提出電子的相對論波動方程（狄拉克方程），創立了量子電動力學。同年，約當和維格納將場的量子化（又叫二次量子化）推廣到電子（服從泡利不相容原理）。1929年，海森堡和泡利提出量子場論的基本方法。
但是只有在費米β衰變理論之後，量子場論才成為真正的物理理論，成為粒子物理的理論框架。費米β衰變理論是弱相互作用理論的開端。費米同時也是一位實驗物理學家，因為中子導致核反應的實驗工作獲得諾貝爾獎。費米的風格深刻影響了在他之後的物理學的發展。費米本人認為β衰變理論是他對理論物理最重要的貢獻。1970年代，楊振寧與維格納（Eugene P. Wigner）曾有過如下對話 [2]。
楊振寧：你認為費米在理論物理中最重要的貢獻是什麼？維格納：β衰變理論。楊振寧： 怎麼會呢？它已被更基本的概念所取代。當然，他的β衰變理論是很重要的貢獻，它支配了整個領域四十多年。它把當時無法了解的部分置之一旁，而專注於當時能計算的部分。結果是美妙的，並且和實驗結果相符。可是它不是永恆的。相反，費米分布才是永恆的。維格納：不然，不然，你不了解它在當時的影響。馮·諾依曼和我以及其他人曾經對β衰變探討過很長時間，我們就是不知道在原子核中怎麼會產生一個電子出來。楊振寧：不是費米用了二次量子化的ψ後大家才知道怎麼做的嗎？維格納：是的。楊振寧：可是是你和約當首先發明二次量子化的ψ。維格納：對的，對的，可是我們從來沒有想到過它能用在現實的物理理論里。
雖然費米的β衰變理論使得人們對中微子的存在深信不疑，但是中微子直到1956年才首次被直接探測到，原因是中微子與其他粒子（稱為靶粒子）的作用非常弱。有一個定量指標叫做截面，它乘以一段時間內單位面積上的入射中微子數目，就得到這段時間內每個靶粒子與中微子反應的平均次數（當然小於1）。費米理論剛提出後，貝特（Hans Bethe）和派爾斯（Rudolf Peierls）就估算出中微子的截面只有10-44（意思是0.0…01，小數點後面有43個0）平方厘米，這意味著一個中微子可以在液態氫中自由運動1000光年，也就是說被探測到的機率幾乎可以忽略不計 [3]。所以中微子俗稱 「幽靈粒子」。
2
王淦昌提出間接探測中微子的方法
雖然中微子很難被直接探測，但是人們可以利用能量守恆，間接證明它的存在。1941年，在遷至貴州湄潭的浙江大學，王淦昌提出這個方法 [4]。這是尋找中微子道路上的首個突破。李炳安和楊振寧曾仔細研究過王淦昌方法的前因後果 [5]。
王淦昌的方法是基於：鈹7（鈹的放射性同位素，由4個質子和3個中子組成原子核）俘獲K殼層的電子（原子中最靠近原子核的電子軌道）而成為鋰7時，同時放出一個中微子。這個過程本質上是：質子+電子中子+中微子。因為反應前後能量和動量守恆，所以對於有兩個反應產物的情況，鋰7和中微子的動能都是唯一確定的，叫做單能。測量鋰7的動能（又叫反衝能），就可以確定中微子的能量，證明中微子的存在。
但是在實際的實驗過程中，由於樣品厚度和孔徑效應，導致存在若干不同動能的鋰7原子核，做不到單能。王的文章發表幾個月後，阿侖（J. S. Allen）及其助手最早做了鈹7的K電子俘獲實驗，但是測量的鋰7動能不是單能的。1950年，當時在伊利諾伊大學的阿侖及其助手改進了這個實驗，但是仍然不是單能的 [6]。1952年，阿侖和助手發表了氬37俘獲K電子而成為氯37的實驗，測量到了單能的氯37 [7]，因此首次成功實現王淦昌的方法，證明中微子存在，雖然用的不是鈹7。在此之後一個多月，美國布魯克海文國家實驗室的戴維斯（Ray Davies）發表了鈹7的K電子俘獲，測量到了單能的鋰7 [8]。戴維斯在2002年的諾貝爾獎演講中提到自己被阿侖趕超，但是引用了後者1950年的實驗 [9]。其實那個實驗還不是單能的，戴維斯本人首先實現了鈹7的單能實驗，但是一個多月前阿侖用氬37實現了單能實驗。
值得注意的是，王淦昌提出的方法只是用來間接證明中微子的存在，而無論是雷納斯和科萬後來探測到核反應堆中微子，還是戴維斯後來探測到太陽中微子，都是直接探測，這才算是中微子的發現。
3
2015年諾獎文件關於中微子發現的錯誤說法
2015年諾貝爾物理學獎授予了梶田隆章（T. Kajita）和麥克唐納（A. B. McDonald），「以表彰他們發現了中微子振蕩，中微子振蕩表明中微子有質量」 [10]。官方文件談到了中微子最初的發現 [11]：
「1950年代初，雷納斯（F. Reines）和科萬（ C. L. Cowan Jr.）在彭蒂科沃（B. Pontecorvo）的鼓勵下,在南卡羅來納州薩瓦納河核反應堆開展了一個決定性的實驗」。
這個官方文件的參考文獻中有一本中微子專著 [12]，其中有段話很可能就是諾貝爾獎官方文件說法的來源：
「1950年代，特別是在彭蒂科沃的敦促下，雷納斯和科萬尋找一個方法來測量逆β衰變，在這之中可以通過反中微子產生正電子」。
這個說法是錯誤的，雷納斯和科萬的工作與彭蒂科沃毫無關係[13]。但是這裡為什麼會出現彭蒂科沃名字呢？
雷納斯（左）和科萬（右）。 圖源：Wikipedia
4
彭蒂科沃及其同事最早想出直接探測中微子的方法
彭蒂科沃是義大利猶太人，是費米在羅馬時期的學生，也是1934年費米發現慢中子轟擊引起放射性的小組成員。1936年，彭蒂科沃去了法國巴黎，加入約里奧·居里的實驗室，並成為共產黨員。1940年，納粹德國入侵法國時，彭蒂科沃逃往美國。1943年，他加入加拿大的喬克河（Chalk River）實驗室，這裡有英國和加拿大合作的核反應堆。
1945年，在喬克河實驗室，彭蒂科沃和同事想到用含有四氯化碳的清潔液來捕捉核反應堆大量產生的中微子 [13,14]。雖然每個中微子的截面很小，但是同時對大量的中微子進行探測，就很可能探測到。從數字上理解，可忽略不計的截面大小10-44 如果乘以巨大的粒子數1044，就可以得到1。簡單地說，就是以多取勝。
鮮為人知的是，彭蒂科沃的想法是在與同事蓋龍（Jules Guéron）以及弗里希（Otto Frisch）討論下形成的。蓋龍建議使用四氯化碳，並注意到反應產物中有放射性氬。彭蒂科沃和弗里希提出，因為氬是惰性元素，可以通過燒開液體而提取。普賴斯（Maurice Price）提出另一個重要想法，太陽可以產生大量中微子，雖然只有很少部分到達地球。
所有這些想法都寫在1945年的一份保密報告中，其中普賴斯關於太陽中微子的想法寫在腳註中。今天，核反應堆和太陽都是主要的中微子源，中微子天文學的起源也可追溯到太陽中微子的想法。
1946年，喬克河實驗室召開了一個會議，會後彭蒂科沃寫了另一篇報告，描述這些想法，題為 「逆β衰變」[15]。這裡的逆β衰變是指：中微子+中子質子+電子。
在這篇文章中，彭蒂科沃沒有提那幾位合作者。後來這篇文章變得很有名，但是那幾位合作者的貢獻不為人知。比如，2002年，戴維斯（Raymond Davies）在諾貝爾獎演講中說[9]：
「有兩個潛在的中微子源：核裂變反應堆和太陽，這兩個可能性都是由彭蒂科沃1946年建議的。」
克萊恩（H. R. Crane）在他1948 年關於中微子的綜述文章中指出 [16]：
「自從鏈式反應堆出來以後，物理學家在談論使用反應堆中產生的大量中微子來檢驗逆β衰變過程。因此如果這種實驗現在沒有在某個或者某幾個政府實驗室中進行，將會令人驚訝。」
但是在克萊恩的這篇文章中，筆者沒有找到彭蒂科沃被直接或間接提到的詞句，也許因為他1946年的報告依然是保密的。確實，戴維斯在諾貝爾獎演講中說：
「彭蒂科沃1946年的報告來自加拿大喬克河實驗室，被美國原子能委員會列為保密文件，因為擔心這種方法也許會用來測量反應堆的輸出功率。」
1949年，彭蒂科沃轉到英國研製原子彈的哈維爾（Harwell）實驗室。1950年，在義大利度假期間，全家失蹤。5年後，彭蒂科沃在蘇聯召開記者招待會。關於他「叛逃」蘇聯，公開的說法是因為意識形態的原因，但是種種跡象表明彭蒂科沃是蘇聯間諜 [14,17]。
5
雷納斯和科萬最早探測到反中微子
雷納斯和科萬是美國洛斯阿拉莫實驗室（原子彈的誕生地）的實驗物理學家，最早從核反應堆找到了中微子（準確地說，是反中微子）。雷納斯和科萬並不知道彭蒂科沃及其同事的中微子研究，他們倆自己也想到以核反應堆作為中微子源。他們1951年開始實驗，1956年成功。1995年雷納斯獲得諾貝爾獎，而科萬1974年就去世了。
事實上，鼓勵雷納斯和科萬探測中微子的正是費米。雷納斯在幾篇文章中說過這個情況，包括他1995年的諾貝爾獎演講 [3]。從戰時到戰後，雷納斯在洛斯阿拉莫斯實驗室從事原子彈測試，但是他希望利用原子彈對基礎物理作出貢獻。他認為原子彈是最好的中微子源，可以利用原子彈爆炸產生大量中微子。1951年夏天他與費米討論，費米同意原子彈是最好的中微子源，但是他們都想不出怎麼探測。
後來雷納斯和科萬用一大箱液體（氯化鎘和水），來尋找反應：中微子+質子中子+正電子。今天看來，其中的中微子實際上應該是反中微子。反應所產生的正電子會與水中的電子發生湮滅，產生光子，從而被光電倍增管探測到。費米對他們的計劃表示贊同。
顯然雷納斯和科萬的工作與彭蒂科沃毫無關係，方法也與彭蒂科沃的建議不一樣。彭蒂科沃是建議尋找反應：中微子+中子質子+電子。雷納斯和科萬是受到費米的鼓勵，而不是2015年諾獎資料所說的「彭蒂科沃的敦促」。他們進行這項工作的時間是1951年到1956年，而彭蒂科沃1950年就失蹤了，5年後才在蘇聯公開出現。
雷納斯和科萬原本計劃用原子彈爆炸作為中微子源。後來貝特問他們如何區分中微子信號與原子彈導致的其他信號，他們想到，用產物正電子與中子的延遲符合來確認中微子作用，這可以大大降低背景信號。然後他們意識到，這個方法可以使用穩定的核反應堆作為中微子源。他們寫信告訴費米，費米回信說這還有一個優點，可以隨意重複實驗。他們先是用漢福特的一個反應堆，後來在惠勒（John Wheeler）的建議下，1955年搬到薩瓦納河核電站。1956年6月，他們成功了！1956年7月，雷納斯和科萬在《科學》發表了一篇短文公布了實驗結果 [18]。
6
戴維斯沒有從反應堆探測到中微子
戴維斯最初試圖用氯水探測來自核反應堆里的中微子（尋找反應：中微子+中子質子+電子），而這個方法就是最早由彭蒂科沃及其同事提出的。這個方法沒有成功，因為核反應堆產生的是反中微子。
戴維斯。圖源：Wikipedia
雷納斯和科萬，以及戴維斯，都曾試圖用不同的方法從薩瓦納河核反應堆中尋找中微子。核反應堆出來的是反中微子，所以會與雷納斯和科萬準備的液體發生反應 「反中微子+質子中子+正電子」，正電子與水中的電子發生湮滅，產生光子，所以引起他們的光電倍增管發出信號，所以雷納斯和科萬成功探測到了反中微子，雖然他們最初並不知道正反中微子之別。
而戴維斯沒有探測到中微子。他後來在2002年諾貝爾獎演講中回憶道 [9]：
「1951年，我開始做一個放射化學的實驗，用彭蒂科沃1946年的方法探測中微子：氯37+中微子氬37+電子。彭蒂科沃的短文章很詳細，他的方法，即通過燒開四氯化碳來去掉氬，並在一個充氣容器里計數氬，與我最後使用的方法有很多相似之處……1954年，我在薩瓦納河核反應堆的某個地下室用3800升四氯化碳做了試驗裝置。」
他還說：
「那時還不清楚中微子和反中微子是不同的粒子，也不清楚如何不同。畢竟自然界還有其他粒子與反粒子相同的粒子，比如光子和π0。」
可見戴維斯的實驗裝置尋找的信號是氬。但是事實上，反應堆出來的是反中微子，不能和氯反應產生氬。所以戴維斯沒有探測到中微子。但是他的零結果也有積極的意義，因為這證明了，中微子不是自己的反粒子，否則反應堆出來的反中微子同時也就是中微子，那麼就可以與氯反應產生氬。
7
李政道和楊振寧發現中微子截面加倍
1956年10月1日，李政道和楊振寧的論文提出弱相互作用可能宇稱不守恆，1957年初吳健雄等人實驗證明確實宇稱不守恆。接著，李政道和楊振寧發表了中微子的二分量理論，指出，因為宇稱不守恆，每個運動方向的中微子只有一個方向的自旋，叫做手性，中微子和反中微子的手性相反，中微子總是左旋，反中微子總是右旋。他們特別指出，這導致截面應該是原來結果的2倍 [19]。楊振寧最近告訴筆者：
「我自豪某個深夜在寫這篇文章時意識到這個2倍。」
1959年至1960年，雷納斯、科萬和合作者在《物理評論》發表了幾篇詳細論文，其中的中微子截面是最初結果的2倍 [20]。1979年，雷納斯說，當初對於探測器效率估計過大 [21]。
雷納斯在他的諾貝爾獎演講中說：
「正如我們幾年後從李和楊那裡得知的，因為宇稱不守恆和中微子的手性，截面應該要加倍。」
1951年，雷納斯和科萬以及戴維斯在開始反應堆實驗時，都不知道中微子和反中微子不同。雷納斯在諾貝爾獎演講中也說過：
「那時候人們不知道中微子和反中微子不同。」
1953年，Konopinski 和 Mahmoud 從理論上提出中微子和反中微子的區別 [22]。用現在的語言說，二者的輕子數與電子和正電子分別相同，分別為1和-1。基本粒子過程必須滿足輕子數守恆，這就解釋了上面提到的各種過程能否發生。筆者注意到，雷納斯和科萬在1956年發表的論文中的中微子符號有個下標「-」，可能是代表反中微子，但是在行文中沒有說明。他們1959年至1960年的文章中明確寫明了反中微子。筆者判斷，雷納斯和科萬的探測成功以及戴維斯的零結果促成中微子-反中微子的輕子數之別廣為接受，而李政道和楊振寧的理論則表明了二者的手性之別。
8
戴維斯最早探測到太陽中微子及其缺失
「東邊不亮西邊亮」，戴維斯後來用氯水探測到太陽發出的中微子，因為太陽發出來的不是反中微子，而確實是中微子，所以與氯反應產生氬。
1950年代後期到1960年代初期，人們對太陽內部核反應的認識逐步提高。1963年，巴考（John Bahcall）發現太陽內部的核反應發出的中微子比以前認為的高20倍。同時戴維斯測量了宇宙線中的繆子本底。繆子通過一系列過程，也會導致氯轉化為氬，干擾中微子信號，相當於噪聲。戴維斯由此知道，中微子探測器需要放在地下多深。在同一期《物理評論》上，巴考與戴維斯背靠背發表論文，標題分別是《太陽中微子. I. 理論》和《太陽中微子. II. 實驗》。
所以布魯克海文實驗室在南達科他（South Dakota）的霍姆斯特克（Homestake）金礦建造了一個十萬加侖的氯-氬中微子探測器，來探測太陽中微子。為了給這個實驗提供數據，加州理工的富勒（William Fowler）等人測量了相關核反應的中微子產生截面。霍姆斯特克的實驗於1967年開始，當年6月22日開始採集數據——探測器測量到了中微子。
但是實驗結果從一開始就比理論預言的少，只有巴考根據標準太陽模型所做預言的三分之一。這就是所謂的太陽中微子缺失。經過30多年的實驗數據收集和太陽模型的改進，實驗結果確定為2.56SNU，標準太陽模型的理論預言確定為7.6SNU。SNU是太陽中微子探測的單位，定義為每秒每1036個靶原子俘獲一次中微子。
1959年，在蘇聯杜布納實驗室，彭蒂科沃提出繆子型中微子不是電子型中微子 [23]。斯坦伯格（Jack Steinberger）與萊德曼（Leon M. Lederman ）、施瓦茲（Melvin Schwartz）在1962年的實驗中證明了這一點，由此獲得1988年諾貝爾物理學獎。彭蒂科沃1993年在杜布納去世，他在羅馬的墓碑上刻著「繆子型中微子不是電子型中微子」的符號。1968年，彭蒂科沃又提出中微子振蕩，即繆子型中微子和電子型中微子的轉化，以此解釋了太陽中微子缺失 [24]。
彭蒂科沃在羅馬的墓碑，符號意思是「繆子型中微子不是電子型中微子」。圖源：Wikipedia
1999年，小柴昌俊領導的神岡實驗驗證了太陽中微子缺失。所以戴維斯和小柴昌俊因為 「宇宙中中微子的探測」 而各獲四分之一諾貝爾物理學獎（Riccardo Giacconi 因為發現宇宙X射線源而獲得另一半）。2015年，因為證明了中微子振蕩，領導超級神岡實驗的梶田隆章和領導薩德伯里中微子觀測台的麥克唐納分享諾貝爾物理學獎。2012年，大亞灣中微子實驗合作組用大亞灣核電站反應堆產生的反中微子精確測量了中微子振蕩的一個參數。
大亞灣中微子探測器。圖源：Wikipedia
9
三位發現者如何走上尋找中微子的道路
最後我們談一下，雷納斯和科萬以及戴維斯如何走上尋找中微子的道路 [3,9]。
1948年，戴維斯加入布魯克海文實驗室化學部，他問部主任要他做什麼。主任要他去資料室尋找有趣的課題。戴維斯找到克萊恩的中微子綜述文章，由此找到了他工作一生的課題。在諾獎演講中，戴維斯感嘆，他被鼓勵做自己想做的事，還有工資，是多麼的幸運！
1951年，雷納斯希望思考如何做點基礎物理研究，為此專門請了假。他在一個空辦公室里，盯著一個空白筆記本，思考了幾個月，尋找一個值得付出一生的工作。最後終於想出，利用原子彈探測中微子。後來他又與科萬說：「我們做個有挑戰性的問題吧。」 科萬建議研究正負電子偶素（由正負電子結合而成）。雷納斯說別人已經做得很好，建議研究中微子。科萬說：「偉大的想法。」
1956年6月14日，雷納斯和科萬發了一份電報給當時正在CERN（歐洲核研究組織）開會的泡利 [3]：
「我們高興地告知您，我們確定通過觀測質子的逆β衰變，從裂變產物中探測到了中微子。觀測到的截面很好地符合所期待的6×10-44平方厘米。」
泡利打斷會議宣布了這個結果，又與朋友用香檳酒祝賀。泡利還寫了封回信，但是雷納斯和科萬沒有收到，雷納斯多年後才看到這封信的底稿 [3]：
「謝謝信息。知道怎麼等待的人終會等到一切。」
筆者與斯坦伯格先生和楊振寧先生分別討論過相關問題，特此致謝。本文中的直接引語均為筆者翻譯自英文。
參考文獻：
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