被死神搶走的桂冠(一)

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2022-07-31
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著名的物理學家,史蒂芬·霍金過世也快滿四年了,他一生最大的遺憾應該是與諾貝爾獎無緣。與他一起研究時空奇異點的羅傑·潘洛斯爵士 (Sir Roger Penrose) 則在霍金過世後兩年的2020年得到諾貝爾獎,可惜諾貝爾獎的規定僅頒發給在世的人,而且諾貝爾獎委員會非常謹慎,只頒給那些已經被實驗詳盡驗證過的研究。由於驗證的過程可能曠日廢時,所以不意外地,頒獎的時候有些合作者早已離開人世了。這些被死神搶去的桂冠,屬於物理領域的為數不少,除了赫赫有名的霍金以外,還有不少科學家因為等不到諾貝爾獎而過世。阿文在此就先介紹兩位,讓大家認識一下。


首先要介紹的這位是美國物理學家克萊德·洛蘭·考恩 (Clyde Lorrain Cowan Jr ,1919–1974)。他與弗雷德里克·雷恩斯 ( Frederick Reines 1918-1998) 共同證實了微中子的存在。雷恩斯於1995年得到諾貝爾物理學獎,但是考恩卻早在二十一年前就過世了。

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弗雷德里克·雷恩斯 (左)、克萊德·洛蘭·考恩 (右) 圖片來源:Wikimedia Commons

考恩出生於密西根州的底特律,但是成長於密蘇里州的聖路易。考恩從 1936 年到 1940 年,在密蘇里州羅拉的密蘇里礦業與冶金學院就讀,並在預備役軍官訓練團接受訓練。在學期間他還擔任過密蘇里礦工報的主編,1940 年獲得化工學士學位。1941 年美國加入第二次世界大戰時,考恩以中尉軍銜加入美國陸軍化學戰服務隊。1942 年 8 月,他被調往隸屬艾森豪麾下,駐紮在英國倫敦的第八航空隊。 1943 年,他設計並建造了一個實驗性的清潔裝置,可以在毒氣攻擊時使用。次年,他加入了研發雷達的麻省理工學院輻射實驗室的英國分部,成為那裡的工作人員。1945 年,他被晉升為美軍在英國皇家空軍的聯絡官,致力於加快訊息和設備的傳輸。 1945年他回到美國,在俄亥俄州代頓的賴特帕特森空軍基地工作。 考恩於 1946 年從軍中退伍後,就讀於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學,獲得物理的碩士學位和博士學位。他是1944年軍人復員法案 (Servicemen's Readjustment Act of 1944) 的受益者,經常被稱為美國軍人權利法案 (G.I. Bill of Rights,或G.I. Bill),考恩退伍後就讀於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學,獲得物理碩士學位和博士學位。美國軍人權利法案是美國國會在1944年通過此法案,給與退伍軍人各種福利。這些福利包括了高等教育及職業訓練的各種補貼。他從化工轉到物理應該與他在英國參與輻射實驗室英國分部有關吧。

 

1949 年,考恩加入了新墨西哥州洛斯阿拉莫斯科學實驗室,成為那裡的工作人員,在那裡他遇到了雷恩斯。雷恩斯原本是理論物理學家,博士論文是原子核的液滴模型,但是他在戰時參與曼哈頓計畫,這讓他逐漸成為核子物理實驗的專家。雷恩斯自述,早在1947年他就想做實驗來驗證微中子的存在了。儘管早在1930年包立就主張貝他衰變會產生這個質量極小又不帶電荷的粒子,但是一直沒有實驗可以支持這個大膽的主張。關鍵在於微中子似乎與其他物質的相互作用非常微弱,以至於大部分科學家都相信它是無法被偵測到的。在 1934 年的一篇論文中佩爾斯 (Rudolf  Peierls) 和 貝特 (Hans Bethe) 就曾計算出微中子可以很容易地穿過地球而不與任何物質發生相互作用。所以雷恩斯想去偵測微中子真的是勇氣可嘉。

 

事實上,偵測微中子雖然困難,卻不是絕不可能。電子反微中子還是會與質子反應,產生中子與正電子。它與質子的相互作用雖然很小,但還是有機會被偵測到的。任何給定反應的發生概率與其散射截面成正比。考恩和雷恩斯首先估計反貝它衰變的散射截面約為 6×10-44 cm2。核物理學中散射截面的常用單位是靶恩 (barn),其大小為 1×10−24 cm2,比這個反應的散射截面還大上 20 個數量級呢。儘管微中子與質子相互作用的機率很低,但相互作用的特徵卻是獨一無二的,這使得檢測稀有相互作用成為可能。(順便提一下, 靶恩本意是榖倉,怎麼會變成單位呢?這是源於二次世界大戰時,研究原子彈的研究中的美國物理學家在研究把中子撞擊原子核時,需要一個表示原子核大致散射截面 (10−28 m2) 的單位。美國有句俚語叫做「準頭差得打不中糧倉 (barn)」,因此曼哈頓計劃裡的物理學家就採用了「barn」這個名稱當作單位。他們希望這源自美國俚語的名稱能掩飾他們對核子結構的研究,但最後該單位居然成為了粒子物理學中的標準單位。)

 

由於正電子是電子的反粒子,它會非常迅速地與周遭的電子相互湮滅。所以實驗學家可以檢測正電子與電子相互湮滅所產生的兩條伽馬射線。而中子可以通過被適當的原子核捕獲並釋放出第三條伽馬射線。檢測正電子湮滅和中子俘獲事件的伽馬射線的時間,就可以當作是反微中子與質子相互作用的獨特特徵。

 

鑑於單個反微中子與質子相互作用的可能性很小,因此只能在微中子通量極為巨大的條件下才有可能觀察到微中子的蹤跡。一開始考恩和雷因斯甚至考慮,當時正在進行的原子武器試驗中的微中子爆發,可以提供足夠的微中子通量,也許可以利用核彈試爆時從事相關的實驗,不過這實在太危險了!後來按照洛斯阿拉莫斯物理部門負責人 J.M.B. 凱洛格 (Jerome .M. B. Kellogg) 的建議,他們最終使用核反應堆作為微中子的來源。該反應堆的微中子通量為每秒每平方厘米 5×1013 個微中子,遠遠高於其他放射源所能達到的任何通量。1951年雷恩斯和考恩開始了這個著名的考恩-雷恩斯微中子實驗 (Cowan-Reines neutrino experiment)。他們使用了一個由兩個水箱組成的探測器,在水中的質子中提供了大量的潛在目標。使用水的理由是水分子由一個氧和兩個氫原子組成,水分子有兩個質子,這些質子可以作為反微中子的目標,因此簡單的水就可以當作主要的檢測材料。氫原子在水中的結合非常弱,以至於它們可以被視為微中子相互作用的自由質子。 微中子與較重的原子核 (具有多個質子和中子的原子核) 的相互作用機制更為複雜,因為組成的質子在原子核內緊密結合。在微中子與水中的質子相互作用的極少數情況下,會產生中子和正電子。通過將水箱夾在裝滿液體閃爍體的水箱之間來檢測由正電子湮沒產生的兩條伽馬射線,閃爍體材料響應伽馬射線發出閃光,這些閃光被光電倍增管檢測到。從微中子相互作用中額外檢測到中子提供了額外確認的機會。考恩和雷恩斯就通過在罐中溶解氯化鎘 CdCl2 來檢測中子。鎘是一種高效的中子吸收劑,在吸收中子時會釋放出伽馬射線。在微中子與質子作用後,他們需要檢測來自正電子湮滅的兩條伽馬射線,然後在幾微秒後檢測到來自鎘吸收中子的伽馬射線。考恩和雷恩斯設計的實驗使用了兩個水箱,總共有大約 200 升水和大約 40 公斤的CdCl2。水箱夾在三個閃爍體層之間,閃爍體層包含 110 個五英寸 (127 毫米) 光電倍增管。

 

1953 年他們在華盛頓州的漢福德工廠進行了初步實驗,但在 1955 年末,實驗轉移到了南卡羅來納州艾肯附近的薩凡納河工廠。薩凡納河遺址對宇宙射線的防護效果更好。這個屏蔽位置距離反應堆 11 m,地下 12 m。經過數月的數據收集,累積的數據顯示探測器中每小時大約有 3 次微中子相互作用。 為了絕對確定他們從上述檢測方案中看到了微中子事件,考恩和雷恩斯關閉了反應堆,以表明檢測到的事件發生率存在差異。他們預測反應的橫截面約為 6×10-44 cm2,測量的橫截面為 6.3×10-44 cm2

 

這個結果發表在 1956 年 7 月 20 日的《科學》雜誌上。考恩與雷恩斯還特地在6月14日拍了電報通知在蘇黎世的包立。包立則是很帥氣地回拍電報,回覆了一段話:Everything comes to him who knows how to wait.有趣的是,後來雷恩斯表示,他們沒收到包立的回電!

 

考恩完成這個實驗後於 1957 年開始了他的教學生涯,當時他在華盛頓特區的喬治華盛頓大學擔任物理學教授。次年,他加入了位於華盛頓特區的美國天主教大學,並一直在那裡任職位直到他過世。 1974 年 5 月 24 日,考恩因突發心臟病在馬里蘭州貝塞斯達去世, 享年只有五十四歲,他被安葬在阿靈頓國家公墓。當1995年當雷恩斯得獎時,巴爾提摩太陽報還去訪問考恩的遺孀,他的遺孀自述聽到這消息的第一個反應是「Why is this so late?」因為距離他們的實驗完成已經接近四十年了!不過考恩全家還是非常高興。而得獎的雷恩斯也在三年後過世,享壽八十。

 

考恩與雷恩斯使用大型探測器 (通常是裝滿水的探測器) 進行微中子研究,後來成為微中子研究的基本策略。許多後續的微中子探測器包括 Homestake 實驗Irvine-Michigan-Brookhaven 探測器、神岡 (Kamiokande) 探測器、薩德伯里微中子天文台 (Sudbury Neutrino Observatory) 都是採用類似的方法。比較特別的是薩德伯里微中子天文台採用重水,重水是氧與兩個氫的同位素氘所構成的化合物。諸如此類的天文台在 1987 年探測到超新星 SN 1987A 爆發產生的微中子,這是開創微中子天文學的壯舉。但是微中子實驗帶來最大的衝擊還不是這一項,而是證明了微中子振盪的現象。微中子振盪表明微中子不是如原先標準模型所預捨的無靜止質量的粒子,這是粒子物理學的一個非常重要的里程碑。而我們要介紹第二位被死神搶走桂冠的主角最大的成就正是與微中子振盪有關,他就是日本物理學家戶塚洋二。

 

戶塚洋二於1943年3月6日出生於日本靜岡縣富士市。他於1965年東京大學理學部物理學科畢業,1972年在東京大學拿到博士學位。他的指導教授是2002年諾貝爾獎得主小柴昌俊。小柴昌俊在東大帶出來的幾位學生,像是須田英博、戶塚洋二、折戶周治、鈴木厚人後來都被派去德國、義大利合作,從中學習累積了儀器設計和實驗數據分析的技術。這四位是小柴昌俊的第一代學生的骨幹,他們日後都成為日本高能物理學界中推動微中子實驗的領導人物。小柴昌俊在1987年就與戶塚洋二、須田英博三人一同因測量到超新星爆炸的微中子而得到仁科芳雄獎。折戶周治是在2000年則是由於測量到宇宙射線中的反質子而得獎。鈴木厚人則是在2003年因觀測到反應爐微中子的微中子振盪現象而得獎 。而小柴更在2002年因為「在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,其中包括在探測宇宙微中子和發現宇宙X射線源方面的成就」而獲得諾貝爾物理學獎。但是須田英博55歲就因為心臟病過世,折戸周治59歲因中風過世,戶塚也是66歲就過世,三人都英年早逝,倒是小柴得享天年,活了94歲!

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 戶塚洋二 圖片來源:wikipedia

戶塚於 1972 年成為東京大學的研究助理,隨後在德國的德意志電子同步加速器 (DESY) 工作了七年,在那裡他研究了電子-正電子碰撞。隨後,他於1979年至1987年成為東京大學副教授。1987年,晉升為東京大學正教授。1988年,戶塚擔任東京大學宇宙線研究所教授。1995年擔任東大神岡宇宙素粒子研究設施 (超級神岡探測器所在地) 所長。他後來於 1995 年成為東京大學宇宙射線研究所 (ICRR) 的神岡天文台所長,1997年擔任東京大學宇宙線研究所長。

 

戶塚在微中子物理學領域的職業生涯始於他在 DESY 的時間,當時他開始與小柴昌俊 一起參與神岡 (Kamiokande) 探測器實驗。 這台探測器最初名為「神岡核子衰變實驗」(KamiokaNDE),於1982年開始建造,1983年完工,圓柱形容器高16米,直徑15.6米,裝有3000噸水和大約1000隻光電倍增管,原先是為了偵測當時正夯的SU(5)大一統理論中預測的質子衰變而建造的。SU(5)大一統理論將電磁力,弱作用與強作用統一在一個很優美的規範場論架構之中。這個理論最重要的預測就是質子會衰變!但是戶塚他們得到的卻是指出如果質子完全衰變,半衰期必定至少長達 1034 年,比SU(5)大一統理論的預測值1031 年要長的多這個令人失望的結果反而促成了日本科學家將它用來偵測微中子。1985年,探測器開始進行擴建,名為神岡核子衰變實驗II期 (KamiokaNDE-II),靈敏度大大提高。1987年2月,神岡探測器與美國的探測器共同發現了大麥哲倫雲中超新星1987A爆發時產生的微中子,這是人類首次探測到太陽系以外的天體產生的微中子。隔年神岡探測器偵測太陽微中子,確認了之前Homestake 實驗的結果,就是太陽微中子的通量的確只有理論預測的三分之一左右。

 

在戶塚的領導下,神岡觀測台耗資一億美元建造了更大的探測器,後來被稱為超級神岡探測器 (Super-KamiokaNDE),它的探測物質增加到了 50000 噸高度純淨的水。超級神岡探測器於1996年開始觀測,其後自1998年起,超級神岡探測器開始發布探測結果。除了太陽微中子之外,超級神岡探測器通過對大氣層中的微中子通量的高統計、高精度測量,測量了微中子振盪的第一個明確證據。

 

大氣微中子是由宇宙射線 (主要是質子) 與地球大氣交互作用產生的衍生宇宙線。大約三分之二的大氣中微子是渺子微中子和反微中子,其餘的是電子微中子和反微中子。微中子觀測數量之理論預測值並不隨天頂角而改變,而是呈一定值。然而,超級神岡探測器於1998年發現,產生於地球另一側,而從偵測器下方進來的緲子微中子,被觀測到的數量是從偵測器上方進來的緲子微中子數量的一半。這個結果可被解釋成緲子微中子轉變或振盪至其他種類的未偵測微中子。這個結果在1998年發表時,阿文正在念博士班,那學期修了Rabindra Mohapatra 的粒子物理,學了一堆微中子質量的理論,但是一邊學一邊喃喃自語:有樣無?明明沒有質量呀!沒想到幾天後就得知這個實驗結果,真是終生難忘的經驗!2004年的進一步分析顯示,事件發生率是長度除以能量的函數,並有著正弦函數的對應關係,確認了微中子振盪理論。

 

戶塚的實驗提供了微中子振盪無可爭辯的證據,由於原先的標準模型中微中子設定為無質量的基本粒子,因此微中子必須是左手旋而反微中子則必定是右手旋的,所以這個實驗結果是第一個顯示標準模型必須修正的重大事件!無怪乎,小柴昌俊曾經說「在繼承我衣缽的弟子當中,有2人足以獲得諾貝爾獎」。一般認為他指的就是負責這個實驗的戶塚洋二與梶田隆章。他們後續主導K2K 實驗,它用一個精準控制且精確已知的源發射的緲子微中子來驗證微中子振盪。 這是第一個在發射源和探測器都完全受控的情況下主動去測量微中子振盪的實驗。該實驗發現的振盪參數與超級神岡中測量到的一致。2002年,瑞典皇家科學院宣佈小柴昌俊教授獲得諾貝爾物理學獎之後,佐藤勝彥與戶塚召開了電話會議,決定一起出席小柴教授的記者會。但佐藤最後猶豫不決,沒有露面。2003 年,戶塚成為高能加速器研究組織 (KEK) 宇宙射線研究所所長。在他作為物理學家的最後一段時間裡,他成功地監督了 Belle B 介子“工廠”。

 

遺憾的是,戶塚洋二於2008年7月10日因大腸癌去世。其恩師小柴昌俊在《文藝春秋》2008年9月號撰文「弟子の弔辭を読む痛恨」追悼他,文章稱「若戶塚能再多活18個月,必將獲得諾貝爾獎」。2015年諾貝爾獎公布時,得獎的梶田隆章表示:「雖然結果上是我獲得了諾貝爾獎......我認為我的『老師』的功勞更為重要。」此處的「老師」一般咸認是已過世的戶塚洋二。在同年12月9日的諾貝爾講座 (Nobel Lecture) 中,梶田再度指名感謝小柴昌俊、戶塚洋二的關鍵性貢獻。

 綜觀這兩位科學家的功績都將名垂青史,將在整個人類知識的長河上能夠留下無法磨滅的痕跡,有沒有得到諾貝爾獎說起來也不是什麼了不得的事。只是讓各位看官當作茶餘飯後,不過,諾貝爾獎委員會的保守持重,有時似乎也顯得過分了點,讓這些科學家失去站在鎂光點下接受他們應得的喝采,還真是令人感到遺憾呀,各位看官,您說是不是呢?

 

參考資料:

(一) 中文 英文 日文維基相關條目

(二) https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1995/reines/biographical/

(三) https://www.baltimoresun.com/news/bs-x ... -13-1995286080-story.html