最后被发现的基本粒子 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：科技大观

　　最后被发现的基本粒子
吴伟农
编者的话：“科技大观”今天和读者见面。这一新栏目的前身是“院士园地”。自1998年3月以来，本报国际版共刊出43篇中国科学院和中国工程院院士撰写的文章，受到读者和有关部门的广泛好评。在策划、编发这些稿件的过程中，我们得到“两院”领导和院士们的鼎力帮助，在此表示衷心感谢。
　　为了拓宽科技报道领域、丰富报道形式，我们推出“科技大观”。我们将努力跟踪世界科技领域的新潮流、新成果、新事件，及时报道全球科技发展的信息和动态。竭诚欢迎广大读者为这一新栏目出谋划策、踊跃赐稿，继续给予我们关心和帮助。
　　今年7月21日，美国费米国家实验室宣布了一个曾令许多物理学家梦寐以求的发现：人们苦苦寻找了20多年的τ（陶子）中微子存在的直接证据终于被找到。这一重大发现，标志着粒子物理标准模型中所说的12个基本粒子已经全部被探测到。
　　22年寻找路
　　1978年，斯坦福大学物理学家马丁·佩尔和同事发现了τ轻子，在理论上这意味着τ中微子的存在，因为中微子是轻子的“前辈”。但是，由于τ中微子几乎没有质量，又不带电，且几乎不与周围物质相互作用，因而一直难寻踪迹。
　　1994年，两个“天才设计师”——加利福尼亚大学研究生维多里奥·保罗内和费米国家实验室物理学家拜伦·伦德伯格提出了建立“τ型中微子直接观测器”的构想，这一想法得到费米国家实验室的支持，并在两年后建成了观测器。
　　从1997年起，54位来自美国、日本、希腊和韩国的科学家在费米实验室合作探测τ中微子。他们用粒子加速器制造一股可能含有τ中微子的中微子束，然后让中微子束穿过“τ中微子直接观测器”内一个约1米长的铁板靶。这一铁板靶被两层感光乳剂夹着，感光乳剂类似于胶卷，能够“记录”粒子与铁原子核的相互作用。物理学家用3年时间从靶上的600多万个粒子轨迹中鉴定出了4个表征τ轻子存在和衰变的痕迹，这也是表明τ中微子存在的关键线索。τ轻子的痕迹被科学家拍摄下来，并在计算机中形成三维图像，其主要特征就是其轨迹里有个结，这是τ轻子在形成后迅速衰变的表现。据估算，几十万亿个τ中微子中只有1个与靶中的铁原子核相互作用并生成一个τ轻子。由此，科学家第一次找到了τ中微子存在的直接证据。
　　粒子物理标准模型
　　20世纪30年代，科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。瑞士物理学家泡利在1931年最先假设有种新粒子“窃走了”能量。后来的发现证明泡利的假设是正确的，物理学家费米遂将这种微小的中性粒子称为中微子。中微子质量可能只有电子的百万分之一，是亚原子粒子中“最腼腆”的粒子，因为它们无处不在、以光速飞奔，却几乎不与周围的物质作用。在自然界里，中微子产生于太阳内的放射性衰变过程，或者宇宙射线中。
　　中微子是基本粒子中的成员，分为三代。本世纪六七十年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆三位科学家对基本粒子进行了分类，提出粒子物理学的框架是标准模型，即特质由12种基本粒子构成。它们包括6种夸克和6种轻子。夸克和轻子的大小不足原子的十亿分之一。
　　夸克包括下、上、奇、粲、底、顶，共6种。轻子分为三代，第一代包括电子、电子中微子；第二代包括μ（缪子）子和μ中微子；第三代包括τ子和τ中微子。第一代电子中微子和第二代μ中微子已分别在1956年和1962年通过实验被证实存在。
　　1982年，费米实验室的科学家用实验支持了τ中微子存在的假设。1989年，欧洲核子研究中心科学家证实τ中微子是标准模型中的第三个，也是最后一个轻中微子。
发现τ中微子的意义
　　美国加利福尼亚大学物理学家菲利普·雅格尔接受记者电话采访时说，发现τ中微子存在的直接证据具有重要意义，它使科学家对物质基本粒子有个完整认识。雅格尔是“τ中微子直接观测器”的建设者之一，观测器构想提出者之一维多里奥·保罗内曾是他带的研究生。雅格尔说：“由于我们现在有能力探测到τ中微子，我们就能够设计出将物理学带到超越标准模型层次的实验。在不久的将来，将诞生更加激动人心的中微子物理学。”
　　目前，研究人员正在测定中微子的质量，而且已有实验表明中微子具有质量，而对其质量的测定可能使人们对宇宙的演化有进一步认识。科学家已知宇宙的组成中有5％－10％的可见物质，90％以上是不发光的暗物质，而中微子是这些暗物质的重要组成部分。因此，尽管中微子很轻，但它对研究宇宙的质量构成有着重要作用。
　　因发现第二代μ中微子而与人分享1988年诺贝尔物理学奖的莱昂·莱德曼评论说，找到τ中微子的直接证据是非常重要且等待已久的结果。说其重要，是因为科学家将据此进一步研究三代中微子之间的关系；说等待已久，是因为25年前τ轻子就已经被发现，现在“另一个鞋子终于掉了下来”。
　　τ轻子的发现者、荣获1995年诺贝尔物理学奖的马丁·佩尔说，证实τ中微子的存在具有里程碑的意义。在找到粒子家庭全部成员之前，粒子间相互转换的研究难以展开，现在这一障碍已被扫除。τ中微子的发现会给现实生活带来什么改变？这还是科学家们无法预言的。不过，正如居里夫人100年前发现原子核裂变时没有人知道这一发现会有什么用处、而40年后人们用它制造原子弹和发电一样，τ中微子的发现也将给科学的发展带来深远影响。