【科學史日誌】1956年7月20日:微中子的發現

分享至

1956年7月20日:瑞恩斯 (Frederick Reines) 和科安 (Clyde Cowan) 發現微中子

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)

圖左為瑞恩斯 (Frederick Reines);圖右為科安 (Clyde Cowan)|來源:Wikimedia Commons

貝克勒(Antoine Henri Becquerel,1852-1908,法國物理學家,1903年獲得諾貝爾物理學獎)在1896年無意中發現鈾鹽具有放射性,是科學家首次觀測到源自只有10-15 ~ 10-13 cm大小的原子核現象。

1896年,拉塞福(Ernest Rutherford,1871-1937,紐西蘭–英國物理學家,1908年獲得諾貝爾化學獎)分析鈾鹽釋放出來的放射線,發現它們經過電場時會偏折,顯示射線是由帶電粒子所組成。拉塞福將帶正電及負電的射線分別以希臘字母α和β命名(註一),並確認β射線的粒子與陰極射線的粒子相同——即電子。1914年,查兌克(James Chadwick,1891-1974,英國物理學家,1935年獲得諾貝爾物理學獎)進一步發現,有別於α射線的線條狀能譜,β射線的能譜呈現連續分佈。

依照量子論,釋放射線的原子核能階應該是不連續的離散分佈,所以輻射出來的放射線能譜也應該像α射線的線條狀能譜,因此β射線能譜呈現不均勻的連續分佈令物理學家大感困惑,波耳(Niels Bohr,1885-1962,丹麥物理學家,1922年獲得諾貝爾物理學獎)甚至一度說,也許可以考慮放棄能量守恆定律。後來又出現可能違反角動量守恆的β衰變反應,包立(Wolfgang Pauli,1900-1958,奧地利物理學家,1945年獲得諾貝爾物理學獎)乃於1931年大膽提出假設說:在β衰變過程中,其實另有一個質量極小的中性粒子被釋出,所以沒有能量不守恆的問題。

受到查兌克在1932年發現中子及其β衰變的激勵,費米(Enrico Fermi,1901-1954,義裔美國物理學家,1938年獲得諾貝爾物理學獎)隨即在1934年提出著名的費米β衰變理論,他沿用電磁作用的偶合形式:帶電粒子發射光子,在中子的β衰變中,則是中子在轉變為質子時,發射出電子及包立所假設的中性粒子,費米將此微小的中性粒子命名為「微中子」 (neutrino)。

費米理論的預測在此後近二十年間,與各種實驗結果都相當吻合,唯一的遺憾是假設的微中子始終不見人影。終於在1956年7月20日,瑞恩斯 (Frederick Reines) 和科安 (Clyde Cowan) 宣佈,他們偵測到微中子了。

瑞恩斯的父母都是從俄國移民到美國的猶太人。他於1918年出生在紐澤西州帕特森市 (Paterson),父親原經營一家絲織廠,搬到哈得遜河西岸一個小城希爾本 (Hillburn) 後改開雜貨店。童年時期,瑞恩斯喜歡動手做東西,也參加合唱團,開啓他一生對唱歌、音樂的愛好;他也曾透過用手捲成的縫看夕陽,感受到光的奇妙。此外,他的二個哥哥和一個姊姊都很勤奮好學,所以家中很多書,學習氣氛濃厚。

瑞恩斯在青少年時期熱衷於童子軍活動,還晉升到最高階的鷹級。此時他對科學也開始感興趣,自己從頭組裝電晶體收音機。當他進入高中時,全家又搬回帕特森,起先他對文學比較有興趣,理科表現平平,但在高二之後,受到一位老師的啓發指導,他就在畢業紀念冊上寫下「立志當大物理學家」。

雖然瑞恩斯可以入學麻省理工學院,但在一位招生人員熱心的爭取下,他選擇了史蒂芬理工學院。他在那裡完成物理學士和碩士,再轉至紐約大學,在1944年以〈液滴模型的核分裂〉論文獲得博士,隨即被招募到洛色拉莫士科學實驗室 (Los Alamos Scientific Laboratory) 參與曼哈頓計畫,在費曼的領導下,擔任理論組長。二次大戰結束後,他繼續留在那裡直到1959年,主要研究核爆的效應。

1951年,瑞恩斯休假一年,思考他長期的研究方向,結果決定要尋找微中子。他在1947年便曾有那個想法,但時機不對。這次他下定決心,也幸運地找到同在洛色拉莫士工作的科安,願意和他攜手合作。

科安 (Clyde Cowan) 小瑞恩斯一歲,出生在底特律,但在聖路易斯長大,1940年獲密蘇里礦業冶金學院學士,主修化工。他隨即入伍陸軍化學兵部隊,任職少尉,1942年八月隨美軍第八航空隊派駐英國。1945年,科安調回美國,次年退伍,之後進入在聖路易斯的華盛頓大學;1949年,他獲得博士學位,並即獲聘加入洛色拉莫士科學實驗室。

瑞恩斯和科安二人起先考慮以核試爆為微中子源,但很快就決定在華盛頓州哈佛德的原子爐比較合適。1953年,他們在哈佛德進行首次實驗,得到初步正面的結果,此時惠勒(John Wheeler,1911-2008,普林斯頓大學教授,廣義相對論領域的宗師)告知他們南卡羅萊納州薩凡納河 (Savanah River) 正在建造中的原子爐會更適合他們的實驗,所以他們在1955年將整套設備改良移過去,很快就在隔年確定觀測到電子反微中子 (electron antineutrino),並立即將結果發表在7月20日出刊的《科學》期刊。

瑞恩斯的想法很簡單,在β衰變中,中子轉變為質子時,同時也射出電子和反微中子,反過來看,如果以反微中子撞擊質子,則會得到中子和正電子,所以如果將氫靶放置在原子爐附近,可以同時偵測到中子和正電子,就表示是反微中子撞擊了質子所產生的反應。正電子容易觀測,因為它碰到物質內的電子時,會相互湮滅而轉換成二個光子,中子則是以氯化鎘溶液加以捕捉後會產生光子,可藉此加以量測。根據估計,二次產生光子的時間差約為10微秒 (μs),必需仔細分辨液閃爍偵檢器偵測到的二個光子信號間的關聯性,才能確立他們源自上述反微中子撞擊質子的反應。

科安在實驗結束之後便離開洛色拉摩斯,先是到喬治華盛頓大學,一年後再轉到美國天主教大學,直到他在1974年心臟病突發過世,享年54歲。

1959年,瑞恩斯也離開了洛沙拉莫士,到克利夫蘭凱斯理工學院擔任物理系主任,在1966年他又應邀到新成立的加州大學爾灣分校去創立物理科學院,並出任院長,直到1974年卸任院長,並在1987年退休。他在凱斯及加大爾灣的主要研究工作都在建立團隊從事跟微中子相關的領域。在凱斯時,他的團隊便在南非一個金礦首次觀測到由宇宙射線在大氣層致生的微中子。在加大爾灣的團隊與密西根大學–布魯克赫文實驗室 (Irvine-Michigan-Brookhaven) 合組的團隊 (簡稱 IMB) 也與日本神岡微中子探測實驗組同時觀測到超新星1987A爆炸後產生的微中子,而同獲美國天文學會頒發Bruno Rossi獎。

瑞恩斯還做了許多有趣的實驗,如尋找大爆炸殘留微中子、微中子毛士包效應、精準測量重力常數G、造球狀太空望遠鏡、檢驗包立不相容原理、以超音波探測大腦等。對於一個原先從事理論物理的科學家而言,這些充份反映出他對科學深沉的好奇及熱愛。他曾自承(註二):「我每晚就寢前,都會挪出約30分鐘沉思,想看看有哪些有趣的實驗可做。」這是一個值得許多科學家參考的習慣。

工作之餘,瑞恩斯最大的興趣是從小培養的音樂和戲劇,特別是歌唱,他曾跟大都會歌劇院聲樂老師學習,還一度想走歌唱生涯。在洛色拉莫士期間,他曾以主角參與《風的傳人》的演出,後來也參加了克里夫蘭交響樂團的合唱隊,數度在羅伯特·蕭 (Robert Shaw) 和喬治.塞爾·(George Szell) 指揮下演出。

微中子現在已被發現有三種,而且彼此之間可以相互轉換,衍生出許多需要釐清的問題,是目前粒子物理學中的一個重要的熱門領域。

瑞恩斯在1980年獲選為美國科學院院士,但這個重要的發現卻等了將近40年才在1995年獲得諾貝爾獎的肯定,不少人認為是遲了些,因為當時科安已過世了21年,而瑞恩斯也已是久病纏身,於三年後1998年離世。加大爾灣的物理天文系館為了紀念他,以瑞恩斯命名。

 


註釋

註一:另一種中性的γ射線由維拉德(Paul Villard,1860-1934,法國化學及物理學家)在1900年研究鐳的放射線時發現的,也是由拉塞福命名。

註二:1980年代初期,瑞恩斯應國科會邀請訪臺,參訪臺大時聊天所言。

 


編輯的話

科學史是一個非常有趣的領域。過去在教學課綱當中並沒有重視這一塊,特別是科學領域的知識與理論總是點式的傳播,讓人總是「知其然,卻不知其所以然」,但事實上透過科學史的角度去檢視各領域一路走來的歷程,就會發現很多的知識與理論發現是緊密相關的,由一個領域的突破造就另一個領域的蓬勃發展。

楊老師今天講述的「微中子的發現」故事的前傳:「放射性的發現」的故事,我們曾經在探索基礎科學系列講座第23期「歪打正著的科學意外」中有為大家詳細講述,有興趣的朋友也歡迎來到CASE中心Youtube頻道回味這一期精彩的講座喔!

(Visited 227 times, 1 visits today)

分享至
views