中微子的预言（连载趣说中微子）

从泡利提出中微子概念至今已有80余年，在中微子假说的提出、中微子的发现及研究中微子的过程中一波九折，其中有不少很有趣的故事，使本来就像幽灵的中微子显得更加神秘。

直接探测中微子就是要测量中微子与质子相互作用引起的反应，但中微子与物质的相互作用极弱，这种实验非常困难，科学家们需要强的中微子源来进行实验。美国在那一时期兴建了多个核反应堆，一些物理学家意识到，核反应堆的核燃料吸收中子后发生裂变，分裂成碎片时又放出中子从而使其再次裂变，而裂变产物通过一连串的β 衰变最后才达到稳定状态，核反应堆不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源。一个电功率为百万千瓦的核反应堆每秒可产生6x1020 个中微子。如果探测器足够大且性能好，那就极有可能探测到中微子的信号。

1956年，美国加州大学的莱因斯（F. Reines）和柯温（C.L. Cowan）在美国佐治亚州的萨瓦纳河工厂建造了一个中微子探测器，他们以核反应堆为中微子源，氢核（质子）做靶核，闪烁液体作探测介质，两个装有氯化镉溶液的容器夹在三个液体闪烁计数器中。从反应堆来的中微子与含氢的靶物质相互作用，被质子吸收后产生正电子和中子，而正电子与靶物质中的电子湮灭成两个γ 光子，即可被水靶两侧的大型闪烁计数器探测到。中子被镉俘获后也会放出γ 光子。实验中一旦探测到正电子和中子讯号的组合就可直接证明捕捉到了中微子。

莱因斯和柯温探测中微子的实验装置

莱因斯和柯温的实验终于成功地“捕捉”到了中微子，这项实验是20世纪非常重要的物理实验之一，其结果很快被物理学界承认。此时，距泡利首次提出中微子假说已过了26年。1995年，莱因斯因此成果与发现τ 轻子的佩尔（M. Perl）分享了诺贝尔物理学奖，遗憾的是柯温于1974年去世，否则他也有机会分享此殊荣。

1936年，内德梅耶（S. Neddermeyer）和安德森（C.D. Anderson）在宇宙射线中发现了一种带单位正电荷或负电荷的粒子，质量为电子的206.77倍，起先以为它就是汤川秀树1930年预言的介子，后来发现这种粒子除了质量是电子的200多倍外，其他方面的性质和电子相同或相似，是一种轻子，称为缪子（μ）。

1962年，莱德曼（L.M. Lederman）、舒瓦茨（M. Schwartz）和斯坦博格（J. Steinberger）他们在纽约长岛用布鲁克海文国家实验室的AGS加速器产生的15 GeV质子束轰击铍（Be）靶产生π介子束流。π介子在飞行中衰变为μ子，同时放出一个中微子。让π介子束流通过一个厚13.5米的旧军舰的装甲板，π介子及其衰变产生的μ 子均会被质量很大的铁质装甲板吸收，只有中微子能通畅无阻地穿过，就这样巧妙地获取了相当纯的中微子束流。装甲板的另一边安装了重10吨的探测介质和火花室，重要的是观察中微子束流进入火花室后产生的新μ 子，同时也观察是否有电子产生，这是因为如果π介子衰变产生的中微子和核β 衰变产生的中微子是同一类粒子，则必然也会产生电子。

由左至右：斯坦博格、施瓦茨、莱德曼

布鲁克海文国家实验室的AGS加速器

他们在实验中仅发现了少量的μ 子却没有发现电子，这个结果的意义十分重大，不仅证实了有中微子存在，而且证明了这里产生的中微子与β 衰变所产生的中微子不同，由此形成了中微子存在“代”的概念，为后来建立弱电统一理论奠定了基础。

1963年，欧洲核子研究中心CERN用充满液态氟利昂的泡室也证明了中微子至少有两种：一种是电子中微子，另一种就是莱德曼、施瓦茨、斯坦博格发现的μ子中微子，他们三人因此项重大发现获得了1988年诺贝尔物理学奖。

先后发现了两代轻子，还都发现了相应的中微子，看来结果挺圆满的了，没想到另有异峰突起。1972年，美国斯坦福直线加速器中心SLAC建造了一个直径约为80米的正负电子对撞机SPEAR，佩尔（M. Perl）领导的实验组在这台设备上进行了一系列实验。1975年，他们发现了一个特性与电子和μ 子类似，可质量居然是电子质量3500多倍的新粒子。经过反复检验，最终证明它并不参与强相互作用，的确应该是电子和μ 子之外的又一种轻子，被称为陶子（τ），轻子家族由此有了“第三代”。佩尔与首次发现电子中微子的莱因斯分享了1995年的诺贝尔物理学奖。

发现τ 轻子后，科学家们根据标准模型预言了应有与之相对应的第三代中微子——τ 子中微子的存在。