几年前,美国物理学会将自1893年创刊起的全部《物理评论》论文上线,并在其《物理》杂志的“焦点”栏目中回顾历史上重要论文。几天前回顾的是发现第二种中微子的论文。有趣的是,这个团队中的莱德曼等人也在1957年用缪子束流证实了宇称不守恒,与吴健雄的论文同一天提交,一同发表。1962年的一个大型实验显示中微子有两种:电子中微子和缪子中微子。中微子无处不在,但因为与其它粒子相互作用微弱,很难控制和探测。
1962年发现缪中微子,是一个具有基本重要性的成果,同时也第一次展示了产生中微子束流的方法。1988年诺贝尔奖的授奖辞对两者的重要性给予了同等的肯定。今天的中微子实验仍然采用同样的基本方法。1956年发现中微子后,物理学家渴望研究支配着中微子与物质相互作用的弱力,但缺乏合适的实验方法。
五十年代末,前苏联杜布纳联合核子研究所的布鲁诺·蓬泰科尔沃,与哥伦比亚大学及布鲁克海汶国家实验室(BNL)的梅尔文·施瓦茨,独立地提出了一种产生几乎纯净中微子束流的方法。施瓦茨随即加入了利昂·莱德曼、杰克·斯坦伯格、以及其他人组成的小组,将这个想法付诸实施。这个团队利用BNL的交变梯度同步加速器(AGS)产生15GeV的质子束流。束流打在铍靶上,产生大量派介子,后者会衰变成缪子及中微子。
这样产生的束流混杂了派介子、缪子、一些原初的质子,毫无疑问还有其它各种粒子。质子能量很高,几乎就是光速,因此所有产生的粒子都沿着质子方向继续前冲。束流穿过一堵13.5米厚的钢墙。所需的大量钢材来自刚退役的密苏里号航空母舰。根据计算,绝大多数中微子会轻松穿过钢板,但派介子只有一亿亿亿分之一能透过,其它带电粒子也差不多。这样严密的阻挡是必须的,因为探测中微子是那么困难,以至于极小的污染也会掩盖结果。
为了探测中微子,研究人员建造了10吨重的火花室,由90块1英寸厚的铝板组成,间隔3/8英寸,中间充满气体。理论上,当中微子的洪流经过探测器,偶尔会有一个击中铝核中的质子,产生一个中子,以及一个电子或缪子。这个带电粒子会使气体电离,沿着它的轨迹,在加了高压的铝板间会产生一系列火花,描绘出它的行踪。在实验几个月的运行期间,大约34.8亿亿个质子打中了铍靶。
在这样的轰击中,探测器观测到了113个可能的中微子。有一些实际上是加速器直接产生的缪子,还有一些来自中子或者宇宙射线。研究人员认为其中51个信号是穿过钢墙而来的中微子。这些轨迹穿过铝板时,没有发生其它相互作用,而电子的轨迹不是这样的(因为电子很轻,穿过物质时容易发生多重散射,因此轨迹不直,毛绒绒的)。
因此研究人员断定,探测器中只产生了缪子,意味着束流中的中微子“很可能不同于贝塔衰变产生的中微子(电子中微子)”。这个结论一点也不令人惊讶;理论上早就认为存在第二种中微子。弱作用理论表明,一个缪子衰变成一个电子时,会产生一对正反中微子。这对正反中微子应该有一定的几率合并,产生一个光子。但没有人看到过产生光子的缪子衰变。一个简单的解释就是这里的正反中微子是不同类型的,无法合并。
这个实验使物理学家确信第二种中微子——缪中微子确实存在,并为施瓦茨、莱德曼、斯坦伯格羸得了1988年诺贝尔奖。这种产生中微子的技术开创了研究中微子的新方法,例如去年开始运行的美国费米实验室的NOvA实验,仍然采用了这种技术,以寻找缪中微子到电子中微子的转换。当飞行距离足够长时,由于中微子振荡,缪中微子有极小的概率在飞行过程中变成电子中微子。