维基百科:台湾教育专案/台大物理系服务学习/111-2/科温—莱因斯微中子实验

科温—莱因斯微中子实验（英语：Cowan–Reines neutrino experiment）是1956年由圣路易斯华盛顿大学校友克莱德·科温与史蒂文斯理工学院及纽约大学校友弗雷德里克·莱因斯进行的实验。此实验证实了微中子的存在。微中子（次原子粒子）没有电荷且质量非常小，在1930年代时，曾被推测是β衰变过程中的基本粒子。由于微中子质量非常小且没有带电，这样的粒子似乎不可能检测的到。实验利用了从一旁的核子反应炉产生的大量（当时假设的）反电微中子和一个由大水箱构成的探测器，从中观测到微中子与水之质子的相互作用，首次证实了这种粒子的存在和基本性质。

背景

1910年代至1920年代间，观测来自原子核的电子β衰变时，发现它们的能量具有连续分布。但是如果这个过程只涉及原子核和电子，电子的能量将会是个单一的高峰，而不是一个连续的能谱。因为仅观察到了产生的电子，故其变化多端的能量表明了能量可能不守恒。^[1] 这一个困惑和其他的因素导致了沃夫冈·包立在1930年时，尝试透过假设中微子的存在来解决这个问题。如果要保留能量守恒定律这个基本定律，β衰变必须是三体衰变，而非二体衰变。因此，包立认为除了一个电子之外，应该还有另一个粒子从原子核的β衰变中发射出来。这种粒子(微中子)，质量非常小且不带电荷；它没有被观察到，但却携带著被忽略的能量。

1933年，包立的想法发展成由恩里科·费米提出的β衰变理论（英语：Fermi's interaction）^[2]^[3]该理论认为，β衰变过程由四个直接交互作用的费米子组成。借此交互作用，中子将直接衰变为电子、推测的中微子(后来确定为反中微子)和质子。^[4]该理论仰赖于微中子存在的假设，后来被证明是非常成功的。费米先向期刊“Nature”投稿了他关于β衰变“暂定”的理论，但该期刊拒绝了它，理由是“包含的推测离现实太远，读者可能不会感兴趣”。^[5]

一个微中子猜想和费米理论共同的问题是，微中子与其他物质的交互作用似乎很弱，以至于其永远不会被观测到。在1934年的一篇论文中，鲁道夫·佩尔斯和汉斯·贝特计算出微中子可以很轻易地穿过地球，不与任何物质产生交互作用。^[6]^[7]

原理

透过逆β衰变预测的微中子，更精准地说是反电微中子( ${\bar {\nu }}_{e}$ )，应该与质子(
p
)交互作用而产生中子(
n
)和正电子( $e^{+}$ )

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

发生此反应的机率很小。任何反应发生的概率与其截面成正比。科温和莱因斯预测反应的截面积约为 6952600000000000000♠6×10⁻⁴⁴ cm²，在原子核物理学中常用的截面积单位是靶恩，比6972100000000000000♠1×10⁻²⁴ cm²大了20个数量级。

尽管微中子产生交互作用的可能性很低，但其特征是独一无二的，使得检测罕见的交互作用是有机会做到的。正电子(电子的反物质)，会快速与附近的任何电子交互作用而彼此湮灭。两道因此产生且重合的伽马射线(
γ
)是可以被检测到的。中子能够借由被适当原子核捕获并释放出的(第三道)伽马射线来检测到。正电子湮灭和中子捕获事件的巧合给予了反电微中子交互作用独一无二的特征。

一个水分子由一个氧和两个氢原子组成，水分子中大多数的氢原子都有一个质子作为原子核。这些质子可以作为反微中子的靶，因此单单是水就可以作为主要的检测材料。氢原子在水中的键结非常地弱，以至于它们可以被视为能与微中子交互作用的自由质子。微中子与较重的原子核（具有多个质子和中子）的交互作用机制更为复杂，因其组成的质子在原子核内紧密结合。

仪器架设

有鉴于单个微中子与质子相互作用的可能性很小，因此只能透过巨大的微中子通量(flux)来观测它们。从1951年开始，当时科温和莱因斯都是新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的科学家，他们最初认为从当时的核武器试验中的爆发可以提供检测微中子所需要的通量。^[8]根据洛斯阿拉莫斯物理部门负责人J.M.B. Kellogg的建议，他们最终使用核子反应炉作为微中子的来源。反应炉的微中子通量为每秒每平方公分7013500000000000000♠5×10¹³个微中子，^[9] 远高于其他放射性来源可获得的任何通量。他们使用了由两个大水箱组成的侦测器，水中的质子中提供了大量的潜在目标以提供微中子产生交互作用。

在罕见的情况下，当微中子与水中的质子交互作用时，会产生中子和正电子。正电子湮灭产生的两条伽马射线，是透过将大水箱夹在装满液体闪烁体探测器的液体箱(tank)之间检测到的。闪烁体的材料受到伽马射线刺激时会发出闪光，这些闪光会被光电倍增管所检测。

检测来自微中子交互作用的中子，额外提供了更高的确定性。科温和莱因斯透过在水箱中溶解氯化镉(CdCl₂)来检测中子。镉是一种高效的中子吸收剂，当它在吸收了一个中子时会发出伽马射线。

n
+ 108
Cd
→ 109m
Cd
→ 109
Cd
+
γ

整个流程是这样的，在微中子交互作用事件之后，将检测到来自正电子湮灭的两条伽马射线，然后在几微秒后检测到来自镉吸收中子发射出的伽马射线。

科温和莱因斯设计的实验总共使用了两个装水的水箱，总共装有大约200升的水和大约溶解了40 kg的CdCl₂。水箱夹在三层闪烁体探测器之间，其中包含110个127毫米(5英寸)的光电倍增管。

结果

初步实验于1953年在华盛顿州汉福德区进行，但在1955年末，实验转移到萨凡纳河厂（英语：Savannah River Site）附近艾肯南卡罗来纳州。萨凡纳河地区对宇宙射线具有更好的屏蔽效果。该被屏蔽的场所距反应炉11公尺，在地下12公尺深。

经过几个月累积的数据收集，数据显示出在探测器中每小时大约有3次微中子的交互作用。为了更加确定他们从上述检测方法中看到的是微中子事件，科温和莱因斯关闭了反应炉以表明检测到的事件发生率存在显著的差异。

他们预测反应的截面积约为 6952600000000000000♠6×10⁻⁴⁴ cm²，而他们测量的截面积为 6952630000000000000♠6.3×10⁻⁴⁴ cm²。此结果发表在1956年7月20日的Science杂志上。^[10]^[11]

贡献

克莱德·科温于1974年去世，享年54岁。1995年，弗雷德里克·莱因斯因其在微中子领域的成果而荣获诺贝尔奖。^[7]

大量使用探测器最常见的策略通常是建构在水之上，用于微中子研究的策略也被随后的几个实验所利用，^[7]包括厄文－密西根－布鲁克海汶侦测器（英语：Irvine–Michigan–Brookhaven (detector)）、神冈探测器（英语：Kamioka Observatory）、萨德伯里微中子观测站以及霍姆斯特克实验（英语：Homestake Experiment）。霍姆斯特克实验是同时期的一项实验，检测来自太阳核心核聚变的微中子。诸如此类的观测站在1987年检测到了来自超新星 SN 1987A的微中子爆发，诞生了微中子天文学。透过对太阳微中子的观测，萨德伯里微中子观测站能够证明微中子振荡的过程。微中子振荡表明了微中子并非没有质量，这是粒子物理学的一个重大发展。^[12]

参见

微中子实验列表（英语：List of neutrino experiments）
次原子粒子

参考资料

^ 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.
^ Yang, C. N. Fermi's β-decay Theory. Asia Pacific Physics Newsletter. 2012, 1 (1): 27–30. doi:10.1142/s2251158x12000045.
^ Griffiths, D. Introduction to Elementary Particles 2nd. 2009: 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2.
^ Feynman, R.P. Theory of Fundamental Processes. W. A. Benjamin. 1962. Chapters 6 & 7.
^ Pais, Abraham. Inward Bound. Oxford: Oxford University Press. 1986: 418. ISBN 978-0-19-851997-3.
^ Bethe, H.; Peierls, R. The Neutrino. Nature. 5 May 1934, 133 (532): 689–690. Bibcode:1934Natur.133..689B. S2CID 4098234. doi:10.1038/133689b0.
^ ^7.0 ^7.1 ^7.2 The Nobel Prize in Physics 1995. The Nobel Foundation. [2018-08-24].
^ The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist (PDF). Los Alamos Science（英语：Los Alamos Science）. 1997, 25: 3.
^ Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 978-0-471-60386-3.
^ C. L. Cowan Jr.; F. Reines; F. B. Harrison; H. W. Kruse; A. D. McGuire. Detection of the Free Neutrino: a Confirmation. Science. July 20, 1956, 124 (3212): 103–4. Bibcode:1956Sci...124..103C. PMID 17796274. doi:10.1126/science.124.3212.103.
^ Winter, Klaus. Neutrino physics. Cambridge University Press. 2000: 38ff. ISBN 978-0-521-65003-8.
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.

外部链接

[NucEl-1] 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.

[2] Yang, C. N. Fermi's β-decay Theory. Asia Pacific Physics Newsletter. 2012, 1 (1): 27–30. doi:10.1142/s2251158x12000045.

[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].

[8] The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist (PDF). Los Alamos Science（英语：Los Alamos Science）. 1997, 25: 3.

[9] Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 978-0-471-60386-3.

[10] C. L. Cowan Jr.; F. Reines; F. B. Harrison; H. W. Kruse; A. D. McGuire. Detection of the Free Neutrino: a Confirmation. Science. July 20, 1956, 124 (3212): 103–4. Bibcode:1956Sci...124..103C. PMID 17796274. doi:10.1126/science.124.3212.103.

[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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