八十年代中微子

发布时间：82年12月28日

吴健雄

【编者按】七月上旬，美籍华裔物理学家吴健雄教授应上海物理学会与上海原子核科学技术研究会的邀请，在上海科学会堂作了《八十年代中微子》的学术报告。吴健雄教授于1957年以实验证实β衰变中宇称不守恒而知名于世，1975年曾任美国物理学会会长，近年来从事中能核物理中“奇异原子”（exotic Atoms）的研究，并以穆斯鲍尔效应研究生物过程。

本文根据本刊记者记录整理而成，未经讲演者过目，如有错误遗漏，由本刊负责。

你们可以想象得出，我是多么兴奋愉快：我又回到上海来了。我生在上海，1936年去美国也从上海出发。在这段漫长的时期中，我回来了三次。这次回来，发现同行们心情安定多了，比1977年又有所不同。

今天原定的题目是《超低温物理》，在和几位朋友商谈后，知道在座的兴趣多在原子核与基本粒子方面，因而题目改为《八十年代中微子》。

一、中微子的由来

大家知道，中微子是大理论物理学家泡利（Wolfgang Pauli）提出的。

在十九世纪与二十世纪之交，发现了β衰变。当时物理学家并不感到它有什么了不起，也并不感到

有什么理论上的困难。物理学大师卢瑟福在剑桥大学说过一句话：β衰变太弱，对原子核来说，它差不多等于没有。如以强相互作用为1，它为10^-13。衰变出来的快电子，称为β粒子，测量了β能谱，起先是在电磁场中，用照相机作探测器，后来查特威克（Chadwick）用计数器作探测器，发现能谱是连续的。懂行的一看，就产生了疑问。女物理学家利泽，迈特纳（Lise Meitner）说：“现在是二十世纪，已接受了量子理论。能级是一定的，从一能级到另一能级，能量应是一定的，能谱不可能是连续的”。当时关于能谱连续有两种意见：一种认为能谱本来是连续的；另一种认为能量是一定的，但由于和核旁电子的碰撞耗失了能量。泡利写信给德国物理学会说：“不入虎穴，焉得虎子。我的前辈同事德拜点明了连续β能谱的境遇严重。不要去想它，就像不去想新的税收一样。亲爱的搞放射性的朋友，做个实验吧”。阿利思 · 胡斯特在剑桥大学用了台非常精细的微量热器（Microthermometer）来测量，这仪器很灵敏，实验不能在白天做，只能在深夜二、三点后才能做，因为英国的警察穿靴，靴上有钉，在街上走仪器会振动，所以要到警察睡了，才能做实验。结果能谱是连续的。利泽 · 迈特纳不相信。泡利听了也说：“不但是能量上有困难，动量上错了，并且二边一平衡，电子遵守玻色 - 爱因斯坦统计，统计上也错了”。他提出随电子一起还有一个粒子出来，这个粒子不带电荷，是中性的，并且没有质量，很难寻找，他称之为“中子”。1932年苏尔维会议上，泡利提出了“中子”，与会的人很少，只有二三十人，其中有费米和瑟林，费米才读了狄拉克的辐射理论，对此非常熟悉，提出了β衰变的量子理论，瑟林从理论上认为该粒子在高能时质量差不多等于零。因为当时已发现中子，所以改称为中微子。文章送到英国《自然》杂志，《自然》给退了回来，说是太抽象了。为赶早发表，就送到德国发表。从1934年直到现在，β衰变的理论未改变，还是费米原来的形式。

二、新理论的要求

1950年，普比（Puppi）在耶鲁大学提出了普比三角形，三角形三条边分别代表β衰变、μ俘获、μ衰变三种弱相互作用，他发现三种弱相互作用的耦合常数，即相互作用的强度差不多相等（见图1）。

以后，经过十年时间，由实验知道β衰变的相互作用是V-A形式。由S. V. T. A. P五种相互作用，从实验确定为V-A，我没有时间详细介绍，请参看图2。

从中我们看到三角形的耦合常数一样，三条边都是V-A。奇怪的是在μ衰变、β衰变中V是一样的。这很好，是由于物理核子相当于裸核子加上π介子云，根据量子电动力学，要重正化（见图3）。

1962年我做了实验，证明矢量流是守恒的（见图4）。

根据新的场论，相互作用由粒子传递。光子传递电磁相互作用，中间矢量玻色子W^-传递弱相互作用（见图5）。

萨拉姆、温伯格、格拉肖统一了电磁相互作用与弱相互作用，并在1979年获得了诺贝尔物理奖。在新的弱电统一理论中，轻子数仍然是守恒的，中微子仍然是没有质量、二分量的粒子。但把弱电统一理论扩充到强相互作用，就形成大统一理论。大统一理论中的基本粒子是轻子和夸克。轻子有电子、μ子、τ子及其对应的中微子。夸克有下夸克、上夸克、（对应于电子）奇夸克、粲夸克、（对应于μ子）底夸克和顶夸克（对应于τ子）（见图6）。

由于轻子和夸克都是基本粒子，放在一组，轻子数和重子数都不能守恒。如轻子数完全守恒，则中微子不能有质量，轻子数不完全守恒，中微子有质量。如果重子数不守恒，质子就不稳定，就有质子衰变。

轻子数守恒方面，这些年来在世界各实验室中进行了各种实验。实验结果如下：

μ⁺→e⁺+v≤2×10^-10（1978）

μ^-→e⁺+e^-+e⁺≤1.2×10^-9（1976）

μ^-+³²S→e⁺+³²S≤7×10^-11（1980）

μ^-+³²S→e⁺+³²Si＜9×10^-10（1980）

μ^-+¹²⁷I→e⁺+¹²⁷Sb＜3×10^-10（1980）

轻子数不守恒都小于10^-10、10^-11。现在计划增加实验的灵敏度，使实验结果小于10^-12。1980年，都在细心地检验以前的结果。这类实验一定需要高的能量。

中微子究竟有没有质量？轻子数与重子数究竟是否守恒，有以下的几种实验：1. 氚的β能谱；2. 双β衰变；3. 中微子振荡。质子衰变。

三、氚的β能谱

1980年，俄国人在《理论与实验物理》杂志上发表了结果（见图7）。中微子质量为37 eV，曲线不完全在点上。但首先实验不知本底，未扣除本底，其次，形状未作校正，因而结果不能相信。他们用的不是原子氚，而是氚放在塑料中，是非常复杂的分子氘。现在美国在制备氚原子束。

四、双β衰变

大而薄的二维的源，放在密封室内，在窗口旁有塑料的闪烁计数器，使每一事件出来都可以看见。密封室放在磁场内，整个装置放在二千英尺深的盐矿内，因为盐矿中没有本底。我的实验装置的剖面图见图8。这是好几年前做的。现在已不大用这种方法，用TPC方法。化学家也对双β衰变感兴趣，用激光计数原子的方法。

双β衰变在理论上很有兴趣，一向是许多人研究的对象。日本大阪大学在这方面很活跃。我想二、三年内也许不能得到结果。

五、中微子振荡

如果中微子有质量，就会像中性K介子那样，在中微子、反中微子，电子中微子、μ子中微子等之间来回振荡。如

|v_e＞=cosθ|v₁＞+sinθ|v₂＞

|v_μ＞=-sinθ|v₁＞+cosθ|v₂＞

Ar³⁷产额（原子数/日）

布洛克海文实验室的戴维，从70年到80年，十多年来测量从太阳来的中微子，实验值只有理论计算的1/4 ~ 1/3（见图9）。

他的实验是在美国南部霍姆斯达特的金矿中做的。每年去二、三次。有位老工人关心地询问他结果怎样，他回说没有看到中微子。老工人为他难过，同情地安慰他说：“去年一年中云太多了，太阳给乌云遮住了，所以见不到中微子”（笑声）。

庞蒂科尔伏提出了中微子振荡的概念，但一段时期无人响应。在65年证实了电子中微子与μ子中微子的区别，可是实验不容易因为中微子能穿透地球而不被检测。很久以前，科恩使中微子作用于质子、中子。1975年，欧文进行了中微子与氘作用的实验：

前者是荷电流反应，后者是中性流反应。如果无振荡，两种反应比的实验值与理论值之比应为1，但实际为0.38±0.21，可是他的实验并不很谨慎。

六、质子衰变

如果重子数不守恒，质子衰变。质子由二个上夸克，一个下夸克组成，在质子衰变中有轻子夸克（Lepton-quark）参与，其电荷为1/3、4/3，质量约10⁶ ~ 10¹⁵M_p（M_p为质子质量），非常重。

p→e⁺+π⁰与p→v+π⁺两过程见图10。

由于大统—理论的质量标度很大，所以重子数破坏的数率是很小的。在测量中，要求源很大，有几千吨，以使一年中能观察到几次事件。测得的质子衰变的平均寿命大于10³⁰年以至10³²年。

七、中微子在宇宙学与天文学中的地位

中微子有质量，对天文学、宇宙学都非常重要。

八十年代以前的中微子是中性、无质量的二分量粒子。在八十年代，由于新的大统一理论要求轻子数、重子数不完全守恒，轻子数不守恒使中微子有质量。

如果中微子质量不是精确为零，为什么如此如果轻子数守恒不是自然界的一种严格对称性，为什么它如此近似地守恒？

基本的费米子有夸克与反夸克、轻子与反轻子。由夸克转化为反夸克，破坏重子数守恒，使质子衰变。轻子转化为反轻子，会破坏轻子数守恒，使中微子有质量。但是大统一理论的质量标度很大，约为10¹⁵ M_p，所以破坏重子数或轻子数守恒的转化率很小，质子的平均寿命大于10³⁰年，而中微子质量为eV数量级。

在宇宙中存在有黑暗、不发光的物质。星系的引力场很强，不能由构成星系的恒星加以说明，80 ~ 90%的星系质量在其发光部分之外，这就是所谓失踪质量。由黑暗物质的组成成分估计，观察到的密度约为10^-²⁴克/立方厘米，由此推出中微子质量大于20 eV。由大爆炸理论的标准计算，每种中微子的数目是每立方厘米100个，3°K时的光子密度是每立方厘米450个，每4个光子对应一个一种中微子，由不发光物质的数量和中微子的总数估计，中微子质量约为20 ~ 100 eV。如果能造一个很灵敏的中微子探测器，在天文学、宇宙学上是个有用的武器。