中微子物理学是如何开始的

最近通过了实验中微子物理学诞生61周年。 到了约会，我已经迟了一年，但仍然如此。 我想告诉你现代物理学最有趣的领域之一是如何出现的。 这一切都始于这样一个事实，即为了实现能量和动量守恒定律，发明了一种根本上未注册的粒子。 然后，以一种非常奢侈的方式仔细搜索了这个“ poltergeist”。 根据想法，引爆核弹以记录2-3个事件，此外，单调探测器可以自由下落几秒钟。

这样，一个全新的物理学领域的故事就开始了，它获得了比其他任何奖项都更多的诺贝尔奖。

电子错误

在19世纪末，当物理学家们非常担心所有可能的定律已经公开并且该专业正在失去联系时，贝克勒尔（Becquerel）发现了放射性的影响，从而开启了物理学的新纪元。 在研究过程中，此效应分为三种类型：α，β和γ辐射。 第一个是氦核流，第二个是电子流，第三个是光子流。 放射性本身被表示为原子从高能态到低能态的跃迁，其差值恰好等于所发射粒子的能量。

一切都很好，直到1914年詹姆斯·查德威克（James Chadwick）测量了由于β衰变而产生的电子的能量。 他观察到一个连续的光谱，而不是像其他所有类型的辐射那样清晰可见。



这使科学界思考了很长时间，并修改了物理学的基础。 爱因斯坦在访问查德威克实验室时承认，他不知道如何解释这种行为，德拜写道：“哦，最好不要把所有这些都当作新税来考虑。” 尼尔斯·波尔（Niels Bohr）自己也侵犯了神圣的圣物-能量守恒定律。 几年来，他确信在微观世界中违反了该定律，并且正在发展一种适当的理论。

“未注册”粒子的想法

在1930年将近20年后，保利建议可能存在轻的电中性粒子，从而带走了缺失的能量。 他称这个粒子为中子。 他在给Tubingham科学大会的一封信（削减后）中提出了自己的建议。 值得注意的是“亲爱的放射性女士们，先生们”，“亲爱的放射性人士”的呼吁，以及保利先生本人未参加大会的原因。 他晚上有一个球。 女士们不会等到您在这里打开一个新粒子。


但是在1932年，已经提到的詹姆士·查德威克（James Chadwick）发现了一个质量接近质子质量的中性粒子，为了和谐起见，称其为中子。 为了避免混淆，将假设的粒子Pauli命名为“中微子”（字面意思是“中子”）。 保利本人说过，他为理论家犯了一个不可原谅的错误：他提出了一个根本上未注册的粒子。 甚至与一位天文学家的同事争辩说，一瓶香槟酒在他们的一生中都无法得到证实。 展望未来，我要说的是Pauli失去了论点。 他死前两年，有可能直接从中微子观察到信号。

值得注意的是，经过30多年的观察，放射性的性质并未真正为人所知。 该过程表示如下：在原子核中，发生某事，电荷增加一个，质量守恒，电子飞散。 这就是为什么在观察中子衰变仅几十年后才发现中子本身的原因。 1934年，恩里科·费米（Enrico Fermi）首次提出了β衰减的和谐理论。 他使用了中微子存在的Pauli假设。 现在的过程如下：

$$

$$n \到p ^ ++ e ^-+ \ bar {\ nu}$$

该理论与一个小缺陷的实验非常吻合。 尚无中微子存在的证据。

政治家存在的间接证据

开始寻找未知粒子。 费米的理论为如何找到这样的粒子提供了很好的线索。 可以沿不同方向“滚动”β衰变反应，特别是可以考虑质子捕获反中微子并形成正电子和中子。



计算此类事件的可能性并不难，但结果令物理学家非常困惑。 为了使相互作用精确发生，中微子的传播距离必须比从太阳到铅的地球的距离大1000万倍。 这迫使科学家从寻找中微子相互作用的过程中撤退了很长时间，并试图寻找间接证据。

亚历山大·伊里奇·莱庞斯基（Alexander Ilyich Leipunsky）早在1936年就获得了第一批间接证据。 他提出了建议，并很快对碳同位素的衰变反应进行了研究：

$$

$${} ^ {11} _6C \至{} ^ {11} _5B + e ^ ++ \ nu$$

初始碳原子处于静止状态，因此如果中微子不存在，则硼原子和正电子的总动量应为零。 由于感兴趣的粒子带有电荷，因此测量其动量并不困难。 实验表明，硼和正电子的膨胀没有得到补偿，这意味着某些颗粒如预期的那样会带走动量。

实验的第二版由Alikhanov和Alikhanian在1938年提出，并在1942年由Allen实施。 这个想法是研究铍原子中的电子俘获 ：

$$

$${} ^ 7Be + e ^-\到{} ^ {7} Li + \ nu$$

来自较低轨道的电子很可能位于原子核本身中，并且可以与质子反应形成中微子。 最初，原子处于静止状态，如果粒子突然从中飞出，则生成的锂原子应朝相反的方向飞出。 经验再次证明了神秘粒子的存在

这样，获得了令人信服的中微子存在的证据，但是长时间直接检测粒子仍然是一项尚未解决且非常令人兴奋的任务。

Project Poltergeist或一颗未爆炸的炸弹

Raines和Cowen出现在舞台上。 他们中的第一个在第二次世界大战期间以及之后积极参与了核弹的测试。 因此，他有一个利用核爆炸作为中微子来源的想法。




实验的最初想法非常非常不寻常。 计划记录反向beta衰减，但是如上所述，此类事件极为罕见。 为了增加相互作用的可能性，需要非常大的中微子通量和巨大的探测器体积。

一枚容量为20吨的核弹被放置在30米高的塔上。 她的爆炸是大量中微子的来源。 顺便说一句，落在广岛上的“婴儿”拥有同样的力量。 时间更简单了，由于前景不明朗，引爆炸弹需要一些东西，该项目得到了支持。 越靠近爆炸的震中，中微子通量越强。 但同时，冲击波更强。 计划中的巨大探测器重达一吨，简直无法抵抗这种冲击。 为了保护安装，他们决定在爆炸时将其倒入真空井中。 然后，地面上的冲击波将不会损坏检测器，并且在自由落体飞行了几秒钟并记录了多个中微子事件后，它轻轻落在橡胶衬里上。 几天后，当表面上的辐射状况变得安全时，他们计划挖掘探测器，并最终找到中微子的秘密。
研制出比现有尺寸大1000倍的探测器，这不符合我的想法。

但是原始方案注定不会被实施。 研究小组探索了减少飞行中子，伽马射线和其他穿透射线的背景的可能性，从而决定了所需的反应

$$

$$\ bar {\ nu} + p ^ + \到n + e ^ +$$

不仅记录正电子，还记录中子。 为此，他们计划在检测器中添加镉，该镉将捕获中子并发射光子，而这已经很容易被检测到。

$$

$$n + {} ^ {108} Cd \到{} ^ {109m} Cd \到{} ^ {109} Cd + \ gamma$$

镉同位素109m的寿命只有几十微秒。 因此，来自中微子相互作用的信号获得了非常清晰的信号：正电子几乎立即消灭电子，发射出具有明确定义的能量的一对光子，并且在几微秒后发生第二次闪烁-中子被镉捕获并再次被明确定义的能量的结果。 反复压制本底使得有可能使用已经具有破坏性的核弹作为来源，但使用一个完全和平的反应堆。 另外，这种方法允许暴露数月和数年，从而获得越来越可靠的结果。

提出概念之后，科学家开始着手设计和测试探测器。 当时这是一个革命性的装置。 当时，每升检测器的体积被认为是“大”；这里计划使用被90个光电倍增管围绕的目标立方米。 为了进行比较，现代实验（例如超级神冈）的体积为50,000立方米，可见13,000 PMT。 计划中的Hyper-Kamiokande大20倍，使用100,000个PMT。

第一个结果

1953年，汉福德反应堆的数据集会议开始了。 其他粒子从反应堆飞出的背景过程给团队带来了很多麻烦。 不得不不断地转动数百吨的铅，修改垃圾设备，电子设备，产生假阳性等等。 团队全力以赴，希望取得突破性的结果。 但是，尽管付出了所有努力，但宇宙射线和电子学的背景还是太强大了。 在打开和关闭反应堆的情况下收集的统计数据提示中微子确实发生了相互作用，但尚不确定。 尽管如此，受第一个结果启发，一群科学家开始对探测器进行现代化改造，以进一步开展工作。

研究的第二阶段是在萨凡纳河反应堆进行观测。 新的探测器由两个装有水的水箱和三个装有液体闪烁体的圆柱体组成，该液体闪烁体在辐射通过时会发光。



原理保持不变-从两个信号中寻找巧合：正电子an灭和中子俘获。 在萨凡纳河中选择反应堆是因为它是一个新的，功能更强大的反应堆，此外，还有一个地下屏蔽室，大大降低了宇宙辐射的影响。 结果很快就到了，仅仅几个月后的1956年6月，经过大量检查，就得到了中微子相互作用的无可辩驳的证据。 打开新物理学的大门！

Raines和Cowan立即向Pauli通报了他们的发现。



保利收到了这样的电报后，中断了欧洲核子研究组织的会议，以便向听众宣读这样的重要新闻。 然后，为了纪念这一发现，沃尔夫冈和朋友们喝了一盒香槟。 许多年后，从未发送过的答案的文本广为人知：

感谢您的消息。 一切都会来到知道如何等待的人身上。 保利

结果和进一步的工作

仅在加速器实验中经过8年才获得此结果的独立确认。 并且仅在20年后重复进行反应器实验。 尽管科学界高度赞赏，但这些奖项并不急于倾泻到相互作用最弱的粒子的发现者头上。 具有讽刺意味的是，1988年，莱德曼，施瓦茨和斯坦伯格因发现一种新型中微子而获得了诺贝尔奖。 Cowen没有辜负这一点。

Raines随后继续他的研究，测量了中微子与电子和氘核相互作用的可能性； 首先记录了在大气中出生的“自然”中微子，奠定了该物理部分的许多基础。

未来还有更多令人惊讶的发现：中微子新品种的注册，中微子螺旋度的发现，中微子和反中微子的分离， 振荡的观测， 超新星爆炸中微子的注册，寻找CP违规 。 天体物理学家第一次没有通过借助中微子精确地观察电磁波就能观察到宇宙。 大量强大的探测器已经建造，并将继续建造以研究这种难以捉摸的粒子

总而言之，我想说的是我们每个人都有大量的中微子！ 每秒约有1000亿个此类粒子穿过地球上的平方厘米。

资料来源

1. 一篇不错的但已经非常过时的文章，其中包含大量关于中微子物理学史的错别字文章
2. 洛斯阿拉莫斯科学数字25 1997
3. 弗雷德里克·雷恩斯（Frederick Raines）1995年诺贝尔奖演讲
4. 很多英文维基百科