物理群星
弗雷德里克·雷恩斯 肖像

图:洛斯阿拉莫斯国家实验室,1950 年代初 / Wikimedia Commons / 署名许可

弗雷德里克·雷恩斯

Frederick Reines

1918–1998 · 生于美国新泽西州帕特森 · 美国

粒子物理

别人算出「原则上无法观测」,他把它当成了一份工程规格

诺贝尔物理学奖 1995 探测到中微子

「我想做的,是探测一个人们说探测不到的东西。」

—— 雷恩斯多次在访谈中回顾选题缘起时的说法,意译

1934 年,贝特与佩尔斯算完中微子与物质作用的截面后写道:不存在实际可行的办法去观测它。雷恩斯读到这句话的反应,是把它当成了一份待完成的工程规格。

从造炸弹到找幽灵

他 1944 年博士毕业就进了洛斯阿拉莫斯,在理论部待了十几年,参与过多次核试验的效应计算。1951 年他决定换个活法——不再做武器,去做一件「真正基础」的事。

他后来讲过挑题目的方法:把一张纸摊在桌上,坐在那里,直到想出一个既重要又还没人做成的问题为止。答案是中微子。

用一颗核弹当光源

第一个方案听起来像玩笑,但报告是认真写的、也批下来了:把探测器吊在核试验塔附近的一口竖井里,爆炸瞬间切断悬索,让它在真空中自由下落,与地面的冲击波脱耦,落进井底铺好的软垫;等辐射降下去再挖出来取数据。

改主意的契机是同事的一句提醒:反应堆的通量虽然低一些,却是连续的,可以慢慢积累,还能反复开关做对照。稳定的源意味着可以用符合技术把背景压下去——而这才是这个实验真正的胜负手。

他和考恩把关键设计成一个双重信号:正电子湮灭的一声,几微秒后中子被镉俘获的又一声。天然放射性与宇宙线能伪造其中任何一声,却几乎不可能在正确的时间间隔里连着伪造两声。

1953 年在汉福德失败了,背景太高。1956 年他们搬到萨凡纳河,把探测器压到地下 12 米。6 月 14 日,他们给泡利拍去电报。

之后的四十年

拿到那个结果时他三十八岁,此后四十年他做的还是同一件事:往更深的地方去。1965 年他带队在南非一座金矿的地下 3 公里处装了探测器,第一次记录到大气中微子。他推动建造的 IMB 探测器在 1987 年与日本的神冈同时抓到了超新星 1987A 的中微子——那是人类第一次用中微子看见一次恒星死亡,中微子比光早到了约三小时。

他也长期追一件没追到的事:中微子到底有没有质量。这个问题在他去世三年前才由超级神冈与 SNO 给出肯定的答案。

一份迟到的奖

1995 年诺贝尔奖颁给他,距离那封电报三十九年。搭档考恩 1974 年就已去世,无缘分享。雷恩斯在获奖后多次公开强调,那是两个人的实验。

他晚年在加州大学欧文分校教书,也一直唱男中音——年轻时他曾认真考虑过去当职业歌手。

代表方程

逆 β 衰变

νˉe+p→n+e+\bar{\nu}_e + p \to n + e^+

反中微子撞上一个质子,变出一个中子和一个正电子。正电子立刻湮灭放出两个光子,中子几微秒后被镉俘获再放出一串光子——两声之间那段延迟,就是中微子留下的签名。

伟大发现