1995年諾貝爾物理獎 - 微中子與陶粒子

李弘謙

1996年一月

去年十月瑞典皇家科學院將諾貝爾物理獎頒給美國史丹福大學(Stanford University)的馬丁‧帕爾勒(Martin L. Perl)博士及美國加州大學爾紛分校(University of California, Irvine)的費德立克‧瑞那斯(Frederick Reines)博士。帕爾勒博士是因他在1974至1977年間與同事在史丹福線性加速器中心(SLAC)所作的實驗,發現「陶」粒子(tau)而得獎。瑞那斯博士因他在1950年代和已逝的克萊德‧考文合作,證明反微中子確實存在而得獎。

陶粒子與微中子同屬組成宇宙物質最基本的兩種粒子之一的輕子(Iepton)。另一種基本粒子稱為夸克。瑞典皇家科學院在解釋頒獎原因時說,兩位得獎人的實驗成果對人類探尋科學上最基礎的問題作了永恆性的貢獻。這些問題包括:什麼是宇宙最小的組成份子?它們有什麼性質?它們就宇宙的歷史和未來可以給我們一些什麼資訊?

瑞那斯1918年生於美國紐澤西州,大學就讀於該州賀伯肯(Hoboken )的史悌文斯技術學院(Stevens Institute of Technology ),博士學位在紐約大學取得。他在位於新墨西哥州的美國洛斯阿拉摩斯國家實驗所(Los Alamos Laboratory )工作一段時間之後,於1966年至爾紛分校執教迄今。瑞那斯博士現年77歲,是加州大學爾紛分校的退休榮譽教授。

帕爾勒博士1927年生於紐約市布魯克林區的一個移民家庭。他是家族中頭一個上大學的人。在布魯克林理工學院取得化工學士(Polytechnic Institute of Brooklyn),再於哥倫比亞大學(Columbia University)取得物理博士學位。之後先在密西根大學(University of Michigan)任教,至1963年轉史丹福大學迄今。

微中子是由三○年代的大物理學家鮑里(Pauli, 1945年諾貝爾物理獎得主),於1930年第一次假設其存在。鮑里作這個假設的目的,是為了要維持質量不滅這一定理的真理性。當時,在實驗中觀測到,許多原子核在經過一連串的衰變之後,最後在放出一粒電子之後而穩定下來。但人們發現這個放電子被稱為β衰變的機制似乎違反了質量不滅定理。原因是在過程中有一部分能量好像丟失了。鮑里因為堅信質量不滅定理是最高層次的定理,不論在任何情形下都不可破壞,於是就大膽的假設另外有一種人們尚不知的粒子存在。這個粒子參與了β衰變的最後過程,並悄悄的把一些能量帶走。鮑里同時推斷這個不帶電荷、且沒有質量的粒子不喜歡跟任何其他的物質作用,所以我們也就不易探測到它的存在。鮑里當時說他因提出一個可能永遠都不能被實驗探測到的粒子之存在,而作了一件「可怕的事情」。

鮑里的「可怕的事情」,因為可以解決有關β衰變的一系列問題,所以很受物理學家的歡迎。然而,因為微中子沒有直接的實驗證實其存在,所以它以及依賴它的存在而成形的β衰變的理論,其真實性也不免被認為只存在於人們的想像中。

微中子的命名也蠻有趣的。因為它不帶電荷而為中性,所以鮑里原先稱它為中子。但是三○年代初,人們發現原子核中除帶正電的質子之外,還有數目與質子相當且與質子幾乎同重的中性粒子存在。這種粒子後來居上,被正式命名為中子(neutron)。如是,鮑里的想像粒子就沒名份了。由於這顆想像粒子必須比中子更輕兩千倍的電子還要輕許多許多,所以鮑里稱它為微中子(neutrino)。

1940年代之後,科學家基本上相信依賴微中子的β衰變理論,或更廣義的弱作用理論。這個理論使我們能相當準確的計算原子核反應的細節。經此我們也可瞭解太陽為何發熱、發光,電子武器為何產生這麼大的威力,核能廠應如何設計、控制等等。同時,我們也知道,假如鮑里的假設是正確的,那麼,由太陽射出的微中子,每一秒鐘有一百萬個以上穿透我們每一人每一平方公分的皮膚。那麼,為什麼我們不全像過度曝光一樣,因「曝微中子」而受傷呢?原因是微中子與任何物體都只有極度微弱的作用。即使厚如一個地球的物質,對微中子來說也是完全透明的。微中子可以輕而易舉、絲毫不露痕跡的穿透許多前後相列的地球!

微中子的強大穿透力使絕大多數人相信它可能永遠也不會被探測到。因為探測器是依靠被探粒子和探測器相互作用的原理而製造的。一個幾乎不與物質作用的粒子怎麼可能被探測到呢?但瑞那斯不如是想,他瞭解如果A粒子與某探測器作用的機率是億兆分之一,則一億兆個A粒子中就會有一個粒子會與探測器作用!而他也知道在一個核子反應堆的外層,有每秒鐘每平方公分1012個反微中子的束流!

1953年瑞那斯與合作者考文提出了一個探測微中子的實驗計畫。他們提議用400公升純度極高但混有氯化鎘的水作微中子捕捉器。因水中氫原子中的質子,經過反β衰變:

反微中子+質子→中子+正電子

質子和反微中子變成正電子及中子,而後者則先後(差數百萬分之一秒)同溶液中的電子與鎘分別作用,產生可測的γ射線。這些γ射線會被水箱四週滿布的高效能閃爍器測到,就成了有反微中子進入水箱的證據。如前所說,絕大多數進入水箱的反微中子是會毫不留痕跡的直接穿過它的。瑞那斯和考文把水箱放在反應堆外,並成功地每小時測到數個反微中子的訊號。就如諾貝爾委員會給瑞那斯的獎詞中所說:「他們將微中子從一個想像中的圖騰,提昇到一個真實存在的自由粒子之地位。」

這裡附帶說明反微中子和微中子有什麼不同。反微中子是反物質的一種。就像一個正數和一個負數相加一樣,一顆粒子與一顆反粒子相遇時會互相湮滅,其能量轉換為光。當初鮑里為微中子命名的β衰變如下:

質子→中子+正電子+微中子

現在在右邊和左邊各加一個反微中子,則右邊的反微中子與微中子互相湮滅,就得到瑞那斯與考文所考慮的反β衰變。

瑞那斯與考文的工作為實驗物理開創了一個嶄新的領域。四十年後的今天,微中子實驗的重要性有增無減。當今最重要的微中子實驗可分為兩大類:一類是測微中子的質量,另一類是測從太陽射出來的(反)微中子數。我們知道微中子的質量至少比電子的質量小五萬倍(而電子的質量又比質子的質量小兩千倍),但它未必就等於零。有趣的是,這個小小的質量卻事關宇宙的命運!如果微中子的質量是電子的五萬分之一,則現在仍在進行中的宇宙膨脹終會停止而回頭開始收縮,那時,宇宙就會倒演自己的歷史,最後以一個反大霹靂而終結(或者那也就是重生的開始!)。而如果微中子的質量小於電子的五十萬分之一,則宇宙極可能永遠膨脹下去,最後以所有的物質都相互遠離,極度冷卻而終結。

全世界現有的或正在建造中的微中子測量站,大體都是依照瑞那斯與考文當初的微中子測量器的設計放大而成。而其中最大的是,有一個八千噸大水槽的福岡核子衰變實驗站。這個水槽比瑞那斯與考文四百公升的水箱大了兩萬倍!而福岡核子衰變實驗計劃的主發言人也正是77歲年紀的瑞那斯!

帕爾勒發現的陶粒子與瑞那斯發現的微中子最大的共同點,是它們都極難測量到,然而它們不易測到的原因,則頗不相同。測不到微中子的原因是,雖然我們四週環繞了無數個這種粒子,但它極不願意和任何其他的物質有相互作用。而陶粒子則剛好相反,在一般情形下,地球上甚至整個太陽系中,都沒有一粒陶粒子。陶粒子需要在極高的能量聚集在一點時才會產生,而陶粒子產生之後,在一瞬間又湮滅了。研究粒子物理的高能粒子碰撞器,就是製造這種將高能量聚集在一點的環境。在基本粒子的系譜上,陶粒子與微中子屬同宗,但是是遠親。事實上,基本粒子的系譜很簡單,只有幾代(現知者有三)家庭,每家有四個成員:兩個輕子和兩個夸克。二輕子中,一粒電荷為負,稱為電子型輕子;另一粒電荷為零,稱為微中子型輕子。二夸克中,一粒電荷為-⅓,稱為下型夸克;另一粒電荷為⅔,稱為上型夸克。以這種家庭的觀念來分類基本粒子在六○年代以後逐漸形成。

我們最早知道的第一代家庭的四位成員就是:電子、微中子、下夸克(down quark)和上夸克(up quark)。七○年代初,中期陶粒子被發現之前,我們已知有一個完整的第二代家庭。它的成員是:緲(µ)粒子、緲-微中子、異夸克(strange quark)和魅夸克(charm quark)。那時一般物理學家都以為基本粒子的系譜已經完整,不再會有其他的輕子或夸克了。原因很簡單:粒子物理的一切現象,都可由已知的兩代家庭(以及由它們的反粒子組成的兩個反粒子家庭)的存在去理解。因此,帕爾勒的發現對絕大多數的物理學家來說,是一個極大的驚奇。它打破了唯有兩代家庭的認知,同時也開啟了通往物質基本結構秘密的一扇新門。

帕爾勒於1963年由密西根大學轉至史丹福之後,開始專注於輕子物理的實驗。他一直都對尋找新的輕子特別有興趣。1970年帕爾勒與合作者共同推動建造一個稱為MARK I 的大型探測器,用來研究在史丹福SLAC加速器中心的正負電子碰撞實驗。MARK I 於1972年末建成之後,帕爾勒就與一組約30人的合作者積極在當時為最高能量的正負電子碰撞中(總能量為電子質量的100億倍)尋找新粒子的跡象。一年之後,他們就探測到一些疑似新粒子的現象。但是因為當時很少人相信還會有新的粒子,所以帕爾勒在作了極詳盡的分析之後,仍要費很大的勁去說服合作者相信他們所探測的現象確實不能用已知存在的粒子去解釋。也就是說,他們的實驗數據指向了一粒前所未知的電子型輕子的存在。帕爾勒與合作者在1975年首次公開宣布他們的發現。他們把這顆輕子命名為tau,因為第二代家庭中的電子型輕子名為mu,而在希臘文中,tau代表的字母(τ),緊接在mu代表的字母(µ)之後。

陶粒子帶負電,它的質量是電子的七千倍。陶一微中子的存在也可由帕爾勒的實驗中間接得到肯定。陶粒子的發現指出,基本粒子可能還有一個完整的第三代家庭。這個家庭的第三位成員──底夸克(bottom quark)──於1976年在美國的費米國家加速器實驗中心(FNAL)被發現。而最後一位成員──頂夸克(top quark)則在許多努力之後,終於在去年也由FNAL的一個國際合作實驗團發現。台灣中研院物理所與國科會合作組成的一個實驗組,是頂夸克的共同發現者之一。

雖然微中子與陶粒子現今在太陽系的現況十分不同,然而很久以前(大約200億年前),在宇宙初生大霹靂後的一瞬間,它們則是共存的。在那一瞬間,宇宙的微中子數、陶粒子數以及其他輕子及夸克數都大致相同,但是陶粒子及其他二、三代的粒子都很快的衰變,剩下第一代的粒子逐漸冷卻、集合、凝結、演進。而微中子則不與其他粒子相干,獨立遨遊宇宙至今。這齣戲仍經常以較小的規模,在宇宙離我們很遠的地方,以超新星爆炸的方式重演。我們中國在文藝復興以前就有人類最完整的肉眼可見的超新星古籍記載。多數的超新星爆炸時所發出的光,我們看不見,然而爆炸同時也射出一波波的微中子脈沖。我們知道1987年在銀河系邊緣有一千個超新星爆炸,就是在瑞那斯所主持的一個微中子探測器上看到的。

諾貝爾物理獎於1902年第一次頒發。原則上,每年頒發一次,但有些年因無適當人選或戰事而保留。瑞那斯與帕爾勒為第145與146位得獎者。華裔有三位得獎者:楊振寧與李政道為1957年的共同得獎者;丁肇中與史丹福的若赫特(Richter)為1974年的共同得獎者;中研院院長李遠哲為另一位華裔諾貝爾獎得主,他與另外二人為1986年的化學共同得獎者。有趣的是,楊振寧、李政道和丁肇中三位的得獎工作都與今年得獎者的得獎工作有密切的關係。李-楊提出的弱作用宇宙不守恆論,初次為弱作用建立了一個完全、正確的理論基礎。而弱作用也就是微中子和任何其他物質相互作用的唯一管道。丁肇中發現了第二代粒子家庭的最後一粒成員──魅夸克,而發現第三代粒子家庭第一粒成員的帕爾勒是他在密西根大學的老師。帕爾勒的指導教授拉比(I. I. Rabi)是1944年的得獎者,因此他說:「所以我們也有三代。」

本篇中所提及的諾貝爾物理學者,恰巧都是美國人。這也正反映了美國在二十世紀中期之後,科學、文化、經濟各方面都傲視群雄的事實。然而,帕爾勒是第二代的移民後裔,拉比、楊、李、丁則都是第一代的移民。他們能在美國把自己的智慧發展至最高峰,驗證了美國是一個極為成功的民族大融爐。面對今日台灣不時被炒起的族群之爭,這或許是值得我們深思的。

李弘謙任教於國立中央大學物理系