漫长的追踪之路

泡利在1930年提出中微子假说，在1930年12月，泡利给一个研讨会的信中就曾提出并呼吁：“研究放射性的女士们、先生们，建议你们审议我的意见”，由此开始了漫长的追踪这种幽灵粒子的征途。一直到二次世界大战后的1955年，踪迹全无。对于这种神秘粒子的探求和神往，不仅是科学家的执著愿望，甚至成为诗人的歌咏对象。美国小说家约翰·阿普代克在《宇宙的时刻》中歌咏道：

中微子啊多么小，

无电荷来无质量，

完全不受准影响。

对它们

地球只是只大笨球，

穿过它犹如散步，

像仆人来往客厅，

如日光透过玻璃。

……

盖尔曼认为诗中第三句的“完全”改为“几乎”就更妥了。在这首几乎是唯一关于亚核粒子的诗中，你可以感到诗人对大自然的迷恋、热情和对探索的执著。

在此我们如果不提及我国著名科学家王淦昌在中微子发现中的开创性的工作，那是不公道的。20世纪30年代初，泡利提出中微子假说，王淦昌在柏林大学师从科坛女杰迈特纳攻读博士，其论文题目正是与β衰变有关的。回国之后，在抗日战争烽火连天的岁月中，1941年他任教的浙江大学迁校到贵州遵义，王淦昌密切关注国际上的研究动态，终于撰成论文《关于检测中微子的一个建议》。限于国内的困难局面，不仅他的构想无法在国内实现，甚至其论文也由于经费短缺、印刷困难，也无法在当时的中国《物理学报》上及时发表。最后发表在1942年1月的美国《物理评论》上。以后艾伦等的实验证明了王淦昌建议的可行性。由于旧中国国家贫弱，王淦昌尽管天才焕发，远见卓识，只好与中微子的发现绝缘了。还应提到王淦昌先生在30年代实际上建议在云雾室中进行观察实验，但是阴错阳差没有被其导师迈特纳重视，最后安德逊根据其建议发现了正电子。迈特纳女士不无沮丧地说：“这是运气问题。”迈女士是犹太人，一生贡献甚多，希特勒上台以后，被迫流亡，始终与诺贝尔奖无缘。时乎命乎，真令人掩卷而长叹。

建国以后，王淦昌先生在反粒子的研究中，取得重大研究成果。在这些反粒子不断被发现的高潮中，1959年7月，在前苏联乌克兰基辅举行的第九届国际高能物理会议上，王淦昌（时任前苏联联合原子核研究所副所长和首席学术委员）宣布，他所领导的一个小组，包括我国科学家王祝翔和丁大钊等，利用自制的丙烷气泡室拍摄的4万张底片中，发现第一张反西格马负超子（记作）。这是人类发现的第一个带电的反超子。联合研究所地处莫斯科附近的杜布纳，故亦称杜布纳联合研究所。报道王淦昌等发现的论文，发表在前苏联《实验和理论物理》杂志1960年第38卷上。有趣的是，意大利的3位科学家于1959年8月紧接着就发现了的“伴侣”——反西格马正超子（记作）。的简介如下，其质量约为电子质量2300倍，寿命约秒，衰变产物为一个反中子和一个π-介子。1962年，欧洲核子中心又发现反克赛负超子）。

王淦昌的工作是杜布纳联合研究所自成立至今所取得的最重大的成果，也是新中国在基本粒子研究中里程碑式的成就。王淦昌作为新中国核工业的奠基人，在我国原子弹、氢弹的研究中也是先驱之一。王淦昌先生是激光核聚变方案的先驱者，这种方案目前是国际科学界实现可控核聚变的主要研究途径之一。

但是由于中微子太难捕捉，物理学家许久未能发现其踪影，尽管泡利对其特征已有充分描述。在长时期的追索而始终不见中微子踪影后，泡利失望了，在一封信中，泡利痛心疾首地追悔道：“我犯下了一个物理学家犯下的最大的过错，居然预测存在一种实验物理学家无从验证的粒子。”

泡利过于悲观了，1952年美国年轻物理学家杰姆斯·阿仑与罗德拜克利用王淦昌先生的实验方案在世界上第一个比较确切地证实中微子存在。他们是用氩气体样品飞行时间做了37A的轨道电子俘获实验：

雷蒙德·戴维斯

这个实验在世界上第一次发现单能的反冲核。37Cl反冲能量的实验值与理论预言研究完全符合。预言37Cl的飞行速度为0.711±0.04厘米/微秒，测得速度峰值为0.74厘米/微秒。

在上述实验发表了一个多月之后，雷蒙德·戴维斯发表了他的7Be的K电子俘获实验结果。他测到7Li的反冲能量为55.9±1.0电子伏，理论预言为57.3±0.5电子伏，实验值与理论值很好相符。现在人们一般只提到戴维斯的实验，实际上阿仑的工作更具有开创性。戴维斯与日本科学家小俊因在宇宙中微子探测方面所作的贡献，以及里卡尔多·贾科尼因发现宇宙X射线源，共同分享了2002年度诺贝尔物理学奖。可惜，在发现中微子有巨大贡献的柯万已经逝世，无缘此奖。

洛斯阿拉莫斯科学实验室

在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯科学实验室。由柯万和雷尼斯领导的物理学家小组，从1953年开始利用南加州萨凡河上的一座核反应堆，通过核裂变产生的强中微子束来作粒子源，把它吸收到靶上来验证中微子。此反应堆每秒可产生1018个反中微子，即每秒钟通过1平方厘米的中微子竟达5万亿之多。为了抓获中微子，他选用氢核作靶核，将200升醋酸镉溶液，装入两个高7.6厘米、长15.9厘米、宽0.8厘米的容器，夹在3个液体闪烁计数器中。闪烁液体在射线作用下，能发出萤火。靶为水中的质子，其反应过程为：＋（反电子型中微子）＋P（质子）→n（中子）＋e﹢（反电子）

经过五年的努力，1956年，他测到最大反中微子的信号率为每小时2.88±0.22个反中微子，即每小时俘获3个中微子。实验结果与理论符合得很好。1956年6月15日，泡利收到雷尼斯和柯万的电报：“现谨奉告：通过观察质子的逆β衰变，我们已经确定从裂变碎片中观测到中微子，测量所得到的截面面积和预期值符合得很好”泡利当晚高兴地复了电：“得来电，甚感，知道如何等待的人会等到每一事物。泡利。”经过实验物理学家长期艰苦、深入的一系列研究，最终确认了中微子的存在。

可以说，尽管绝大部分的中微子都“安然”脱网了，但是感谢上帝，终究有少数幽灵粒子总算抓住了。泡利先生真是洞若神明，在笔尖下侦破β衰变能量失窃案，准确地查明了巴格达窃贼——中微子的踪迹。经过26年，“窃贼”被验明正身归案了（严格说是反中微子）。现在我们要问既然中微子这样难得捕获，为什么最后还是抓到了它们呢？原因是科学家估计中微子的数量极其庞大，在数量级上大致与光子相当，这样尽管抓获一个中微子的概率非常非常小，但是在庞大的中微子群中，如果安装上适当的探测设备，还是有可能抓住其中一些中微子的。

与此同时，戴维斯在长岛的布鲁克海文实验室验证，中微子与反中微子有无区别，会不会像光子、π0介子一样，其反粒子就是其自身。精密的实验表明，中微子与反中微子是不同的粒子。

1958年，美国人凡伯格分析了当时有关中微子的实验，其中包括我国学者肖健在20世纪40年代末有关μ子衰变谱的工作。肖健先生首先正式提出有两种中微子ve、vμ（电子型与μ子型）的假说。此前日本著名物理学家坂田昌一亦有类似的说法。

1962年，美国物理学家莱德曼、许瓦兹和斯坦伯格在长岛的布鲁克海文实验室33吉电子伏的加速器上证实ve与vμ确实是两类不同粒子。莱德曼等因“中微子束方法及通过发现μ中微子验证轻子的二重态结构”而荣获1988年诺贝尔物理学奖。

莱德曼

许瓦兹

斯坦伯格

1975年美国物理学家佩尔等在斯坦福直线加速中心发现重轻子τ﹣，并于1995年因此与莱因斯共同获得1995年诺贝尔物理学奖。人们立即推测应该存在一系列第三类中微子——陶中微子vτ（τ子型中微子）。关于第三类中微子陶中微子vτ存在的第一个实验迹象来自于在τ子衰变时有一部分能量和动量迷失，与当初发现电子型中微子完全相似，在2000年夏天美国费米国家实验室DONUT协作组第一次检验到陶中微子vτ，如果不考虑希格斯粒子，它是目前高能物理中标准模型预言的最后一个基本粒子了。费米实验室的大型正电子对撞机的实验资料与理论推算结果完全吻合，表明人们确实直接观测到第三类中微子了。

就这样，与三代轻子e﹣、μ﹣、τ﹣对应，我们又发现与之对应的三代中微子ve、vμ与vτ。当然，相应的反粒子e﹢、μ﹢与τ﹢也有同样对应关系。至今轻子大家族，共计12种就完全团圆了。迄今为止所有的高能物理实验，尚未发现它们具有内部结构，用术语说，就是它们都属类点粒子。它们均为名副其实的基本粒子。

斯坦福直线加速器中心鸟瞰

斯坦福正负电子非对称环