维基百科:臺灣教育專案/臺大物理系服務學習/111-2/科溫—萊因斯微中子實驗

科溫—萊因斯微中子實驗（英語：Cowan–Reines neutrino experiment）是1956年由聖路易斯華盛頓大學校友克萊德·科溫與史蒂文斯理工學院及紐約大學校友弗雷德里克·萊因斯進行的實驗。此實驗證實了微中子的存在。微中子（次原子粒子）沒有電荷且質量非常小，在1930年代時，曾被推測是β衰變過程中的基本粒子。由於微中子質量非常小且沒有帶電，這樣的粒子似乎不可能檢測的到。實驗利用了從一旁的核子反應爐產生的大量（當時假設的）反電微中子和一個由大水箱構成的探測器，從中觀測到微中子與水之質子的相互作用，首次證實了這種粒子的存在和基本性質。

背景

1910年代至1920年代間，觀測來自原子核的電子β衰變時，發現它們的能量具有連續分佈。但是如果這個過程只涉及原子核和電子，電子的能量將會是個單一的高峰，而不是一個連續的能譜。因為僅觀察到了產生的電子，故其變化多端的能量表明了能量可能不守恆。^[1] 這一個困惑和其他的因素導致了沃夫岡·包立在1930年時，嘗試透過假設中微子的存在來解決這個問題。如果要保留能量守恆定律這個基本定律，β衰變必須是三體衰變，而非二體衰變。因此，包立認為除了一個電子之外，應該還有另一個粒子從原子核的β衰變中發射出來。這種粒子(微中子)，質量非常小且不帶電荷；它沒有被觀察到，但卻攜帶著被忽略的能量。

1933年，包立的想法發展成由恩里科·費米提出的β衰變理論（英语：Fermi's interaction）^[2]^[3]該理論認為，β衰變過程由四個直接交互作用的費米子組成。藉此交互作用，中子將直接衰變為電子、推測的中微子(後來確定為反中微子)和質子。^[4]該理論仰賴於微中子存在的假設，後來被證明是非常成功的。費米先向期刊｢Nature｣投稿了他關於β衰變｢暫定｣的理論，但該期刊拒絕了它，理由是｢包含的推測離現實太遠，讀者可能不會感興趣｣。^[5]

一個微中子猜想和費米理論共同的問題是，微中子與其他物質的交互作用似乎很弱，以至於其永遠不會被觀測到。在1934年的一篇論文中，魯道夫·佩爾斯和漢斯·貝特計算出微中子可以很輕易地穿過地球，不與任何物質產生交互作用。^[6]^[7]

原理

透過逆β衰變預測的微中子，更精準地說是反電微中子( ${\bar {\nu }}_{e}$ )，應該與質子(
p
)交互作用而產生中子(
n
)和正電子( $e^{+}$ )

{\bar {\nu }}_{e}+p\to n+e^{+}

發生此反應的機率很小。任何反應發生的概率與其截面成正比。科溫和萊因斯預測反應的截面積約為 6952600000000000000♠6×10⁻⁴⁴ cm²，在原子核物理學中常用的截面積單位是靶恩，比6972100000000000000♠1×10⁻²⁴ cm²大了20個數量級。

儘管微中子產生交互作用的可能性很低，但其特徵是獨一無二的，使得檢測罕見的交互作用是有機會做到的。正電子(電子的反物質)，會快速與附近的任何電子交互作用而彼此湮滅。兩道因此產生且重合的伽馬射線(
γ
)是可以被檢測到的。中子能夠藉由被適當原子核捕獲並釋放出的(第三道)伽馬射線來檢測到。正電子湮滅和中子捕獲事件的巧合給予了反電微中子交互作用獨一無二的特徵。

一個水分子由一個氧和兩個氫原子組成，水分子中大多數的氫原子都有一個質子作為原子核。這些質子可以作為反微中子的靶，因此單單是水就可以作為主要的檢測材料。氫原子在水中的鍵結非常地弱，以至於它們可以被視為能與微中子交互作用的自由質子。微中子與較重的原子核（具有多個質子和中子）的交互作用機制更為複雜，因其組成的質子在原子核內緊密結合。

儀器架設

有鑑於單個微中子與質子相互作用的可能性很小，因此只能透過巨大的微中子通量(flux)來觀測它們。從1951年開始，當時科溫和萊因斯都是新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的科學家，他們最初認為從當時的核武器試驗中的爆發可以提供檢測微中子所需要的通量。^[8]根據洛斯阿拉莫斯物理部門負責人J.M.B. Kellogg的建議，他們最終使用核子反應爐作為微中子的來源。反應爐的微中子通量為每秒每平方公分7013500000000000000♠5×10¹³個微中子，^[9] 遠高於其他放射性來源可獲得的任何通量。他們使用了由兩個大水箱組成的偵測器，水中的質子中提供了大量的潛在目標以提供微中子產生交互作用。

在罕見的情況下，當微中子與水中的質子交互作用時，會產生中子和正電子。正電子湮滅產生的兩條伽馬射線，是透過將大水箱夾在裝滿液體閃爍體探測器的液體箱(tank)之間檢測到的。閃爍體的材料受到伽馬射線刺激時會發出閃光，這些閃光會被光電倍增管所檢測。

檢測來自微中子交互作用的中子，額外提供了更高的確定性。科溫和萊因斯透過在水箱中溶解氯化鎘(CdCl₂)來檢測中子。鎘是一種高效的中子吸收劑，當它在吸收了一個中子時會發出伽馬射線。

n
+ 108
Cd
→ 109m
Cd
→ 109
Cd
+
γ

整個流程是這樣的，在微中子交互作用事件之後，將檢測到來自正電子湮滅的兩條伽馬射線，然後在幾微秒後檢測到來自鎘吸收中子發射出的伽馬射線。

科溫和萊因斯設計的實驗總共使用了兩個裝水的水箱，總共裝有大約200升的水和大約溶解了40 kg的CdCl₂。水箱夾在三層閃爍體探測器之間，其中包含110個127毫米(5英寸)的光電倍增管。

結果

初步實驗於1953年在華盛頓州漢福德區進行，但在1955年末，實驗轉移到薩凡納河廠（英语：Savannah River Site）附近艾肯南卡羅來納州。薩凡納河地區對宇宙射線具有更好的屏蔽效果。該被屏蔽的場所距反應爐11公尺，在地下12公尺深。

經過幾個月累積的數據收集，數據顯示出在探測器中每小時大約有3次微中子的交互作用。為了更加確定他們從上述檢測方法中看到的是微中子事件，科溫和萊因斯關閉了反應爐以表明檢測到的事件發生率存在顯著的差異。

他們預測反應的截面積約為 6952600000000000000♠6×10⁻⁴⁴ cm²，而他們測量的截面積為 6952630000000000000♠6.3×10⁻⁴⁴ cm²。此結果發表在1956年7月20日的Science雜誌上。^[10]^[11]

貢獻

克萊德·科溫於1974年去世，享年54歲。1995年，弗雷德里克·萊因斯因其在微中子領域的成果而榮獲諾貝爾獎。^[7]

大量使用探測器最常見的策略通常是建構在水之上，用於微中子研究的策略也被隨後的幾個實驗所利用，^[7]包括厄文－密西根－布魯克海汶偵測器（英语：Irvine–Michigan–Brookhaven (detector)）、神岡探測器（英语：Kamioka Observatory）、薩德伯里微中子觀測站以及霍姆斯特克實驗（英语：Homestake Experiment）。霍姆斯特克實驗是同時期的一項實驗，檢測來自太陽核心核聚變的微中子。諸如此類的觀測站在1987年檢測到了來自超新星 SN 1987A的微中子爆發，誕生了微中子天文學。透過對太陽微中子的觀測，薩德伯里微中子觀測站能夠證明微中子振盪的過程。微中子振盪表明了微中子並非沒有質量，這是粒子物理學的一個重大發展。^[12]

參見

微中子實驗列表（英语：List of neutrino experiments）
次原子粒子

參考資料

^ Stuewer, Roger H. The Nuclear Electron Hypothesis. Shea, William R. (编). Otto Hahn and the Rise of Nuclear Physics. Dordrecht, Holland: D. Riedel Publishing Company. 1983: 19–67. ISBN 978-90-277-1584-5.
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This source reproduces the 1956 paper.
^ Barger, Vernon; Marfatia, Danny; Whisnant, Kerry Lewis. The Physics of Neutrinos. Princeton University Press. 2012. ISBN 978-0-691-12853-5.

外部連結

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[griffiths-3] Griffiths, D. Introduction to Elementary Particles 2nd. 2009: 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2.

[Feynman-4] Feynman, R.P. Theory of Fundamental Processes. W. A. Benjamin. 1962. Chapters 6 & 7.

[InwardBound-5] Pais, Abraham. Inward Bound. Oxford: Oxford University Press. 1986: 418. ISBN 978-0-19-851997-3.

[6] Bethe, H.; Peierls, R. The Neutrino. Nature. 5 May 1934, 133 (532): 689–690. Bibcode:1934Natur.133..689B. S2CID 4098234. doi:10.1038/133689b0.

[noblp-7] 7.0 ^7.1 ^7.2 The Nobel Prize in Physics 1995. The Nobel Foundation. [2018-08-24].

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[11] Winter, Klaus. Neutrino physics. Cambridge University Press. 2000: 38ff. ISBN 978-0-521-65003-8.
This source reproduces the 1956 paper.

[BargerMarfatia2012-12] Barger, Vernon; Marfatia, Danny; Whisnant, Kerry Lewis. The Physics of Neutrinos. Princeton University Press. 2012. ISBN 978-0-691-12853-5.

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