1995年诺贝尔物理学奖.docx

1、1995年诺贝尔物理学奖1995年诺贝尔物理学奖1995年物理学奖，由两位美国物理学家分享，他们是弗 雷徳里克莱因斯(Frederick Reines)和马丁 佩尔(Martin L. Perl),莱因斯发现了中微子，佩尔发现了 t轻子。弗雷德里克莱因斯(Frederick Reines, 19181998), 出生于美国新泽西州的佩特森(Paterson)。父母是俄国移民, 泄居纽约州的一个名叫希尔班(Hilburn)的小镇上，以经营 乡间百货店谋生，他小时酷爱歌唱和音乐。有一次，莱因斯 在宗教仪式上闲得不耐烦，就用手指弯成环形，像一个望远 镜筒一样套在眼睛前面，观看窗外昏暗的景色，他发现景

2、色 岀现条纹，原来是发生了光的衍射，这是他第一次接触到光 的神奇。在中学时他是一个好学生，科学教师对他特别欣赏， 耙实验室的钥匙交给他，让他自己到实验室里去做任何想做 的实验。在髙中时，莱因斯曾经负责编借学生年鉴，他在年 鉴上为自己加了一条特殊的按语：“立志成为优秀的物理学 家！” 1939年莱因斯在斯特文斯(Stevins)学院获得工科学 士学位，1941年在斯特文斯理工学院获得数学物理硕士学位, 然后进入纽约大学读博士研究生。在考夫(S.A.Korff)教授 指导下研究实验宇宙线物理，在普雷申特(R.D. Present)教 授指导下做博士论文，题目为：“核裂变的液滴模型”。1944 年，

3、莱因斯还未取得博士学位就应聘到洛斯阿拉莫斯科学实 验室，参加费曼领导的理论物理部并从事曼哈顿汁划，第二 年即被任命为理论部一个组的组长，后来担任操作仓主任， 并与纽曼(J. V. Neumann)合作，研究空气冲击波。他在这个 实验室工作长达15年。1958年担任日内瓦和平利用原子能会 议的代表。1951年，莱因斯学术休假，他利用这个机会认真考虑未 来的工作，决泄尝试对中微子进行观测。他的方案早在1947 年就已想出，只是没有条件付诸实践。于是他和考恩合作， 向华盛顿提出经费申请。他们本来要利用原子弹试验获得中 微子源，不过后来还是决泄采用华盛顿州汉福徳（Hanford） 的核反应堆。1953

4、年汉福徳的结果得到了初步的迹象之后， 惠勒（J.WheJer）告诉他们，在南卡罗来纳州新建成的萨瓦 纳河（Savannah River）反应堆条件可能更好些。1955年莱 因斯和考恩转到那里做实验，1956年即观测到了电子型反中 微子。不久考恩离开洛斯阿拉莫斯，两人的合作自然结束。 莱因斯一度把注意力转向Y射线天文学，随即在萨瓦纳河又 开始了一连串研究中微子特性的实验。1959年，莱因斯离开洛斯阿拉莫斯到俄亥俄州凯斯理工 学院当物理系主任。在凯斯的七年里，莱因斯建立了一个小 组专门研究反应堆的中微子物理学、双B衰变、电子寿命以 及核子衰变等问题。这一实验计划的最初目标是查明中微子 的特性和探试

5、基本对称性原理和诸如电荷、重子数、轻子数 守恒之类的守恒迫律的极限。这些实验要求降低宇宙射线中 的u子流疑，因此必需在地下深处建造实验室。这一计划还 要求他们发展探测技术，包括要用到大型液体闪烁器和切连 科夫探测器。1966年，莱因斯到新建的欧文加州大学，在那里创建物 理科学学院。他的研究小组也和他一起转移到了欧文加州大 学，继续推进务项试验。他们证明了重子数守恒泄律，确定 了质子的寿命为3X10=1年,1979年再得到结果为10”年以上。 他还发起在深水下探测u子和中微子。1976年他获得了电子 型反中微子在电子上的散射效应。：1964年一1972年莱因斯和 同事们一起，多次下到南非的深矿井

6、里探测大气层在宇宙线 辐射下产生的中微子。他们得到了一系列有价值的成果。他 作为欧文加州大学物理科学学院第一任院长在1974年退职, 以便全身心投入教学和研究。他于1988年正式退休，却仍宝 刀不老，继续在第一线工作。莱因斯作为高能粒子实验物理 学家，以丰富的实践经验，开创了中微子物理学这一新领域， 并且提出了一系列新的实验方案，从而把这门学科继续推向 前进。他的注意力还涉及到以下一些课题：中微子穆斯堡尔 效应、引力常数G、球而透镜空间望远镜、泡利不相容原理破 坏的极限、用超声探查脑的结构以及研制新的探测器。这些 科学概念、目标和挑战始终激发着他的兴趣。马佩尔(Martin Lewis Per

7、l 1927),出生于美 国纽约。他的父母是犹太人，大约在1900年为了逃避贫困和 反犹太主义，从俄国(原波兰领上)举家迁移到美国，在美 国的贫民窟里泄居。由于经营印刷业和广告公司，逐渐上升 为中产阶级，才得以让佩尔进入较好的学校接受教育。父母 认识到移民只有靠知识和文化才能在美国社会中立足，所以 非常重视子女的教育。佩尔也很争气，努力学习，在学校表 现很好o 1942年，佩尔16岁时就从髙中毕业，中间跳了两级。 他酷爱读书，什么书都读，每次去公立图书馆，都要借满六 本书回家。然而，父母不赞成他把时间都花在书本上，要他 多做户外运动，因为一个真正的美国孩子是很爱运动的，他 们希望佩尔成为100

8、%的美国人。所以佩尔特别喜欢下雨天, 这样就可以待在家里读书。有两本书对佩尔特别有吸引力， 一本是大众数学，他从这里学到了微积分；另一本是大 众科学。为了省钱，他没有买这两本书，而是一次一次地借 来读，详细作笔记。他对机械也很感兴趣，读过许多这方面 的杂志和书籍。佩尔深知一个移民要在美国社会不受歧视，就要设法找 到一个好的职业。例如当律师和医生等。他没有敢想要做一 划科学家，但他又不愿当律师和医生，于是在高中毕业时选 择了化工专业，进了布鲁克伦（Brooklyn）多科工业学院。 不久第二次世界大战爆发，学业暂停，佩尔因年纪不够，暂 不能入伍，于是加入商船学校当学员，后来还是当了一年的 兵，返回

9、学校后于1948年以优异成绩取得了学士学位。在学 院里学到的机械、化学实验技术等知识对他后来的实验工作 非常有用。大学毕业后，佩尔进入通用电气公司，经过一年 培训，分配在纽约的电子管部当化学工程师，解决生产电子 管过程中的技术问题，有些也涉及电视显像管的生产。为了 解决电子管中栅极发射之类的问题，佩尔有时到大学里去学 习有关的课程，其中包括原子物理学和高等微积分。此时， 佩尔已经23岁，他决心开始学习物理。1954年，佩尔进入哥伦比亚大学物理系攻读博士，那里 有名师拉比教授。佩尔的博七论文是用原子束共振方法测量 钠核的四极矩。原子束共振是拉比首创的方法，已经取得了 丰硕成果。拉比并没有手把手地

10、教他实验技术，而是指导他 选择合适的研究课题，这是最重要的当佩尔做出结果并急 于发表时，拉比听说法国人用光学共振方法做出了类似的测 疑，就写信去询问。七八个星期过去了，来自法国的复信告 诉拉比，那里确实得到了同样的答案，拉比这才让佩尔发表 结果。这件事对佩尔很有教弃意义，耽误一点时间不要紧， 要紧的是不要出错。与英争第一个没有把握的发表结果，不 如第二个发表正确的结果。拉比经常强调要重视基础研究， 他推荐佩尔到基本粒子物理部门工作 1955年佩尔获得博士 学位，在密执安大学找到职位。在那里他和格拉塞一起从事 气泡室的工作。1957年苏联卫星上天，美国急切地要加强尖 端科技。佩尔利用这一时机，向

11、华盛顿建议用发光室和火花 室进行基本粒子研究。他的计划得到批准，从而发现了 t轻 子。提到中微子的发现，先应回顾一下相关的历史。中微子 的概念是1930年由泡利首先提岀的。当时摆在物理学家面前 的疑难问题中有一个涉及B衰变。P衰变和a衰变及丫衰 变不一样，放射性元素发岀的B电子能量是连续分布的，不 像u和丫射线具有明确的分立谱。而原子核的能态差是确 圧的，显然B衰变的连续谱是一种反常现象，不符合能量守 恒左律。究基原因，是某种未知的过程在起作用，把能量带 走了，还是能量守恒左律不适用于0衰变？在这个疑难问题 而前，玻尔甚至都准备放弃能量守恒泄律的普适性，他提出 也许能量守恒左律只适用于统计性的

12、过程。泡利是一位思想 极为活跃的理论家，他在一封给同行的公开信中提出：“原 子核中可能存在一种自旋为1/2,服从不相容原理的电中性粒 子”。B衰变中失踪的能量也许就是这一察觉不到的中性粒 子中微子带走的。费米支持泡利的设想，他在1934年正式提出B衰变理 论，很好地解释了 P能谱的连续性问题，此后不久，这一理 论得到了正电子衰变实验的肯左。然而，由于这种微小的中 性粒子既不带电荷，又不参与强相互作用，质量微不足道， 它的存在一直未能得到实验验证。人们只能从能量和角动量 的分析，论证这一幽灵般的基本粒子的存在和所起的作用。在众多的探讨中微子的实验方案中，中国物理学家王冷 昌提岀的方案格外引人注意

13、。他在20世纪40年代初从中国 的抗战大后方给美国的物理评论杂志提交了一篇简短的 论文，建议把普通0衰变末态的三体，变为K俘获的二体, 就有可能间接观测到中微子的存在。他还特别指出，可取 Be-Li作为实验对象。这一建议立即受到实验物理学家的重 视。1952年，美国的戴维斯果然用这一方法取得了与理论预 期值相符的实验结果，初步肯左了中微子的客观存在。就在这个时候，直接捕捉中微子的工作也开始了。1953 年，莱因斯当时正在美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos )科学 实验室工作，他和考恩(ClydeL. Cowan, Jr)领导的实验小 组按下列方案探测到反中微子：V +p-J+n莱因斯和考

14、恩为了防止误判的出现，采用了同时探测中子和正电子的方 法。来自反应堆裂变产物的反中微子，射入掺有大量氯化镉 (CdCl=)的水靶箱中(如图所示)。在0.2us内正电子必与 电子相遇而湮火，同时发出Y光子，Y光子被两侧的闪烁器 符合地探测到。光子总能量估计约为9MeVo中子则受到水的慢化，被镉核俘获。莱因斯和考恩的设计思想颇为巧妙，考 虑到中子在产生后最多在10 US内会被俘获，专门设计了延 迟符合计数器。莱因斯和考恩的实验原理他们的实验装置如图所示，英核心是一组三明治式的多 层结构，由两个水靶箱A、B和三个大型液体闪烁器I、II、 III构成。中间探测器共用，组成两套结构。整个实验装置安 装在

15、铅室中屏蔽，以防外界干扰。莱因斯和考恩探测中微子的实验装宜经过周密准备和认貞测试，实验小组在预期的能量范国 和时间间隔内，得到了肯左的结果。中微子这个充斥宇宙的 “幽灵”终于被捕捉到了。1955年，佩尔在哥伦比亚大学取得物理学博士学位，后 到斯坦福大学直线加速器中心（SLAC）任职，曾参与里克特 领导的实验小组并一起发现J/巾粒子。1966年，SLAC在3km （2英里）长的宜线加速器上组织实验，试图从髙能电子与靶 核的碰撞中发现新的粒子，但没有得到任何结果。1972年， SLAC在直线加速器近旁建造了一座正负电子对撞机，取爼为 SPEAR （Stanford PositronElectron

16、 Accumulator Rings ）o 存储环直径约80m.直线加速器提供的正负电子束注入存储环 后，在磁场的作用下以相反的方向绕环道运行，最后在指左 的地点作对头碰撞。佩尔领导的实验小组在这台设备上从 1974年一1977年进行了一系列实验，终于在4GeV能区发现 了一个比质子重两倍，比电子重3500倍的新粒子，其特性类 似于电子和u子。经过反复检验，证明是在电子和u子之 外的又一种轻子。新的轻子以希腊字母t表示，取自Triton （笊核）的第一个字母。轻子是不参与强相互作用的费米子 的通称，包括电子、u子和t子，与它们相伴的中微子以及 所有这些粒子的反粒子。在t子未发现之前，这类粒子的

17、质 呈:都较轻，因此取名为轻子，直到佩尔发现了 t子，因此t 子也称为重轻子。佩尔小组最初得到的迹象是在一万个各种类型的事例中, 找到24个电子-卩子事件，可以用下列式子表示：电子+正 电子一电子+反u子+ （i.p.）、电子+正电子一正电子+ u子+ （i.p.）。式中（i.p.）代表不可见的粒子，在探测器 中不留任何痕迹。探测器只能记录下电子（或正电子）及电 荷符号相反的反P子（或u子）。他们这样解释上述的过程， 如图所示：佩尔对电子-u子轨迹所做的解釋正负电子对撞后，先产生的是一对重轻子，即后来命名 的T子。他们设想这对正反T子衰变得极快，离开碰撞点 不到几亳米就衰变掉了，因此难以观测到

18、。观测到的是电子 和U子，说明正负T子衰变成了电子（正电子）或U子（反 u子）。但是又由于衰变过程中轻子数必泄守恒，在反应中除 了电子中微子（或U子中微子）还应有T子中微子参与。 于是反应的衰变产物应为：T子一电子（或U子）+几个中 微子，T子一反U子（或正电子）+几个中微子。于是从检 测器得到的结果就有可能是图中的样子。当然，中微子是看 不见的，只能根据能量和动量的讣算作出判断，所以，图中 中微子的轨迹是虚线。重轻子的发现不仅增添了人类关于基本粒子的知识，在 理论上也有重大意义。下面我们来简单回顾一段历史。1964年，盖尔曼等人提出夸克模型理论，在粒子物理学 的发展中是一个飞跃。这个理论认为

19、所有的重子都是由三个 夸克构成，介子则是由一个夸克和一个反夸克构成，很好地 解释了各种重子和介子的性质。夸克模型理论预言的Q-粒子, 很快得到实验的证实，但在研究强子的弱作用时遇到了困难。 1970年，格拉肖等人提岀GIM模型理论，根据夸克和轻子的 弱相互作用有相似的特点，认为它们之间有对称性，四种轻 子（电子、卩子、电子中微子、卩子中微子及其反粒子）应 该对应于四种夸克，并预言了第四种夸克的特性，取名为粲 夸克。：1976年丁肇中和里克特发现了 J/W粒子，J/巾粒子可 以解释为由粲夸克与反粲夸克组成。这一发现对GIM模型理 论当然是一有利的判据。然而就在第二年，佩尔小组发现了 第三代轻子（

20、由t子、t子中微子及貝反粒子组成）。于是 人们进一步设想，夸克也应有第三代，并根据这一对称性建 立起标准模型理论。第三代夸克分别取剑为底夸克和顶夸克。1977年发现的丫粒子，揭示了底夸克的存在。顶夸克直到 1994年才由费米国家实验室找到。中微子和重轻子的发现使人们对于微观世界的认识大大 跨越了一步。但是人类对物质世界的认识是没有止境的。还 有没有第四代基本粒子，很难作出预言。这是物理学尚未解 决的问题，如果还有，标准模型理论又要作重大修改。佩尔和莱因斯获奖，是继鲍威尔（1950年发现n介子）、 张伯伦与西格雷（1959年发现反质子）、丁肇中与里克特（1976 年发现J/W粒子）、鲁比亚和范徳

21、米尔（1984年发现z 粒子）、莱徳曼、施瓦茨和斯坦博格（1988年发现中微子有不 同属性）、夏帕克（1992年发明多丝正比室）等人之后，国际 科学界又一次将诺贝尔物理学奖这一殊荣授予实验高能粒子 物理学领域的科学家，人数占20世纪后半叶的总领奖人数的 12%。从这一统计数字可以看出，自20世纪50年代以来， 实验髙能粒子物理学的成就非常突出，是物理学界引以为豪 的领域之一。这首先应归功于一系列高能实验装置的运行， 尤其是各种类型的对撞机，大大提高了有效作用的能虽:，再 加上多种多样探测器的发明和改进，使产生和探测新能区的 粒子成为可能。大规模实验室的建立和科学家集体的合作， 实验技术的提髙和实验方法的完善，为发现各种新粒子提供 了保证。