1995年諾貝爾物理學獎的一半授予美國加州斯坦福大學的佩爾,獎勵他發現了τ輕子,另一半授予美國加利福尼亞州歐文加州大學的萊因斯,獎勵他檢測到了中微子。
佩爾和萊因斯是對輕子物理學作出重大貢獻的兩位美國物理學家。這是繼鮑威爾(1950年發現π介子),張伯倫與西格雷(1959年發現反質子),丁肇中與裏克特(1976年發現J/ψ粒子),魯比亞和範德米爾(1984年發現W±、Z0粒子),萊德曼、施瓦茨和斯坦博格(1988年發現中微子有不同屬性),夏帕克(1992年發明多絲正比室)等人之後,國際科學界又一次將諾貝爾物理學獎這一殊榮授予實驗高能粒子物理學領域的科學家,人數占本世紀後半葉的總領獎人數的12%。
從這一統計數字可以看出,實驗高能粒子物理學的成就非常突出,是物理學界引以為豪的領域之一。
提到中微子的發現,應該先講講幾件先驅的貢獻。中微子的概念是1930年泡利首先提出的。當時擺在物理學家麵前的疑難問題中有一個涉及β衰變。β衰變和α衰變及γ衰變不一樣,放射性元素發出的β電子能量是連續分布的,不像α和γ射線具有明確的分立譜。而原子核的能態差是確定的,顯然β衰變的連續譜是一種反常現象,不符合能量守恒定律的要求。是某種未知的過程在起作用,把能量帶走了,還是能量守恒定律不適用於β衰變。在這個疑難問題麵前,玻爾甚至都準備放棄能量守恒定律的普適性,他提出也許能量守恒定律隻適用於統計性的過程。泡利是一位思想極為活躍的理論家,他在一封給同行的公開信中提出:“原子核中可能存在一種自旋為1/2,服從不相容原理的電中性粒子。”β衰變中失蹤的能量也許就是這一察覺不到的中性粒子——中微子帶走的。
費米支持泡利的設想,他在1934年正式提出β衰變理論,很好地解釋了β能譜的連續性問題,不久這一理論得到了正電子衰變實驗的肯定。然而,由於這種微小的中性粒子既不荷電,又不參與強相互作用,質量微不足道,它的存在一直未能得到實驗驗證。人們隻能從能量和角動量的分析,論證這一幽靈式的基本粒子的存在和所起的作用。
在眾多的探討中微子的實驗方案中,中國物理學家王淦昌提出的方案格外引人注意。他在20世紀40年代初從中國的抗戰大後方向美國《物理評論》雜誌提交了一篇簡短的論文,建議把普通β衰變末態的三體,變為K俘獲的二體,就有可能間接觀測到中微子的存在。他還特別指出,可取Be→Li作為實驗對象。這一建議立即受到實驗物理學家的重視。1952年美國的戴維斯果然用這一方法取得了與理論預期值相符的實驗結果,初步肯定了中微子的客觀存在。
就在這個時候,直接捕捉中微子的工作也開始了。1953年美國洛斯阿拉莫斯科學實驗室的萊因斯和考恩領導的實驗小組按下列方案探測到反中微子:υ+p→e++n,萊因斯和考恩為了防止誤判的出現,采用了同時探測中子和正電子的方法。來自反應堆裂變產物的反中微子,射入摻有大量氯化鎘(CdCl2)的水靶箱中。在0.2μs內正電子必與電子相遇而湮滅,同時發出γ光子,γ光子被兩側的閃爍器符合地探到。光子總能量估計約為9MeV。中子則受到水的慢化,被鎘核俘獲。
萊因斯和考恩的設計思想頗為巧妙,考慮到中子在產生後最多在10μs內會被俘獲,專門設計了延遲符合計數器。
經過周密準備和認真測試,實驗小組在預期的能量範圍和時間間隔內,得到了肯定的結果。中微子這個充斥宇宙的“幽靈”終於被捕捉到了。
佩爾也是美國科學院院士,1955年在哥倫比亞大學取得物理學博士學位,後到斯坦福大學直線加速器中心(SLAC)任職,曾參與裏克特領導的實驗小組並一起發現J/ψ粒子。1966年SLAC在3km長的直線加速器上組織實驗,試圖從高能電子與靶核的碰撞中發現新的粒子,但沒有得到任何結果。1972年SLAC在直線加速器近旁建造了一座正負電子對撞機,取名為SPEAR。存儲環直徑約80m。直線加速器提供的正負電子束注入存儲環後,在磁場的作用下以相反的方向繞環道運行,最後在指定的地點作對頭碰撞。佩爾領導的實驗小組在這台設備上從1974~1977年進行了一係列實驗,終於在4GeV能區發現了一個比質子重兩倍,比電子重3500倍的新粒子,其特性類似於電子和μ子。經過反複檢驗,證明是在電子和μ子之外的又一種輕子。新的輕子以希臘字母τ表示,取自Triton(氚核)的第一個字母。