反中微子的探测

反中微子的探测

物理学家在真正探测到中微子和反中微子之前，对于它们的存在是不会感到完全满意的。（通常为了简化的缘故，用到“中微子”这个术语时也包含了反中微子。)

为了找到它们，中微子必须与另外一种粒子发生相互作用，而且这种相互作用必须能被探测到，同时又能与其他相互作用区分开来。换句话说，你必须能辨别出这种相互作用是由中微子引起的，而不是由任何别的东西引起的。

要做到这一点是非常不容易的，因为中微子几乎不与任何东西发生相互作用。通过计算可以得出，中微子平均在穿过厚度为3 500光年的铅之后才会被吸收。

这只是对平均而言。个别中微子可能完全出于偶然避免了直接碰撞，也许能达到两倍的行程，甚至达到100万倍的行程才被吸收。其他的中微子也许刚行进了平均距离的一半，或者百万分之一的平均距离就碰巧发生了直接碰撞而被吸收。这就意味着，如果让一束含有无数个中微子的粒子流，穿过实验室中用于实验的数量很大的物质，其中极个别的中微子也许刚好撞到了物质中的某个粒子并发生了相互作用。

为此，要想有机会探测到中微子，你必须拥有非常丰富的中微子源。自从人们发明了以铀核裂变为基础的核反应堆之后，就有可能利用这种丰富的中微子源了。

铀核是很复杂的，即便只是接近稳定也需要大量的中子。如铀235中，仅92个质子就有143个中子。当铀核分裂成两个较小的部分时，每个部分只需较少的中子即能保持稳定，因此有些中子就自由了。随着时间的推移，其中许多中子都蜕变成了质子，同时释放出反中微子。一个典型的裂变反应堆，每秒钟都能轻而易举地放出10¹⁸个反中微子。

下一个问题是要确定我们希望反中微子去做什么。我们知道，中子通过放出电子和反中微子蜕变成质子。那么我们是否能够实现相反的过程，即让质子同时吸收电子和中微子再变成中子呢？

但是，要实现这样一个反过程需要满足许多条件。要使一个反中微子自己去撞击一个质子是不大可能的。而希望它在撞击一个质子的同时又让一个电子也撞上同一个质子，这样的要求实在太高了。发生这种情况的概率实在太小了，因此这是一个非常不切实际的过程。然而，让一个电子去撞击一个质子与让质子放出一个正电子的结果是相当的。（这就像让某人给你1美元与让他帮你还掉1美元的债务，其结果是一样的。不管哪种方式，你的资产都会增加1美元。)

这就是说，让反中微子去撞击一个质子，然后使质子放出一个正电子而变成一个中子，这是有可能的。由于质子变成中子，两者的重子数均为＋1，因此符合重子数守恒定律。由于一个反中微子消失，出现一个正电子，而它们各自的轻子数均为-1，因此轻子数也是守恒的。由于质子消失和正电子出现，而它们各自的电荷均为＋1，因此电荷也是守恒的。另外，能量、动量和角动量守恒定律都得到了满足。

那么，我们假定一个反中微子撞击了一个质子，并产生一个中子和一个正电子。那你怎样才能说明确实是发生了这样的过程呢？这样的过程只能发生在一段较长的时间间隔内，其间也在发生着各种其他的相互作用，会将反中微子的作用淹没。但是，如果产生了中子和正电子，正电子一定会在百万分之一秒内与遇到的任何一个电子结合，并相互湮没。在这个过程中，会形成两组强度相等，并向相反方向运动的γ射线，它们的总能量刚好相当于这两个粒子的质量。至于中子，它会很快被镉原子的核（假如附近存在的话)吸收。在此过程中，核将会获得足够的能量，放出具有固定总能量的3或4个光子。

没有任何其他已知的相互作用会切实产生这样的结果。那么，假如你能在同一时间、在相应的方向找到具有相应能量的被发射出来的光子，你就探测到了中微子与质子的相互作用，而不是任何别的东西。

1953年，由美国物理学家莱因斯（Frederick Reines，1918—1998)和考恩（Clyde Lorrain Cowan，1919—1974)领导的一个小组开始沿着上述思路着手解决这个问题。他们利用一个裂变反应堆，使尽可能多的反中微子去撞击装满水的巨大的水箱，里面有无数个质子，都包含在组成水分子的氢和氧的核中。他们在水中溶解了镉的氯化物。镉的核能够吸收放出的任何一个中子。最后，他们安置了各种装置，用于探测γ射线光子并确定它们的方向和能量，这时他们要做的就是等待符合要求的光子组合的出现。

显然，为了能尽量容易地探测到符合要求的光子组合，他们必须尽可能地排除不符合要求的光子组合，因此，他们不断对整个试验装置采取更加有效的保护措施。最终，除了反中微子外，几乎任何东西都无法进入。最后，他们又设法使“本底噪声”降低到足以保证他们能探测到偶尔发生的反中微子与质子之间的相互作用。1956年，也就是泡利的假设提出26年后，莱因斯和考恩宣布，他们探测到了反中微子。

其他科学家也立即尝试进行重复实验，或者对它进行改进，对此都不存在任何问题：只要使用合适的设备，任何人都能探测到反中微子。它已不再是一种鬼态粒子，而确确实实是泡利和费米推断出来的那种粒子。他们把它作为解释β射线辐射和中子蜕变过程的一种必不可少的粒子。（这就证明了使用逻辑推理在科学中的价值。同时也表明，坚持一个优秀的理论是多么重要——例如各种守恒定律——只要是合理的可能性。当然，一种观点，哪怕像钢铁般的坚实肯定，也会有不得不放弃的时候——即使是守恒定律——我们将会遇到这种情况。偶尔对自己进行修正，哪怕并不愿意，这正是科学的值得赞颂之处。除了人类中的有识之士以外似乎没有任何其他人会尽力去做这样的事。)