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[[File:Poltergeist Team 1953.jpg|thumb|弗雷德里克·萊因斯（右一）與克萊德·科溫（左一）及「騷靈計畫」的其他成員。]]
'''科溫—萊因斯微中子實驗'''（{{lang-en|Cowan–Reines neutrino experiment}}）是物理學家[[克萊德·科溫]]與[[弗雷德里克·萊因斯]]於1956年進行的實驗，此實驗證實了[[中微子|微中子]]的存在。微中子是一種[[電荷]]中性、質量極小的[[次原子粒子]]，於1930年代被推測為[[Β衰變|β衰變]]過程中的基本粒子之一。這樣一種電荷為零、質量也幾乎為零的粒子，似乎不可能被偵測到。科溫—萊因斯微中子實驗使用由巨大水缸構成的偵測器，感測由鄰近核反應爐湧出的大量[[中微子|反電子微中子]]（當時仍為一種假設粒子），成功觀察到微中子與水中質子之間的反應，首次驗證了微中子的存在及其基本性質。

==實驗背景==
在1910至1920年代期間，若干實驗觀測了原子核在[[Β衰变|β衰變]]過程中產生的電子，發現這些電子的能量呈連續分布。假如衰變過程中僅有原子核與電子參與，電子的能量分布應呈現單一窄峰，而不是連續的能量光譜。實驗僅對衰變產生的電子進行了觀測，因此電子能量連續分布的其中一種解釋是，能量守恆實際上並不成立。<ref name = "NucEl">{{cite book |last=Stuewer |first=Roger H. |editor-last=Shea |editor-first=William R. |title=Otto Hahn and the Rise of Nuclear Physics |url=https://archive.org/details/ottohahnriseofnu0000unse |location=Dordrecht, Holland | publisher=D. Riedel Publishing Company |date=1983 |pages=[https://archive.org/details/ottohahnriseofnu0000unse/page/n32 19]–67 |chapter=The Nuclear Electron Hypothesis |isbn=978-90-277-1584-5}}</ref>此一令人困惑的情況，加上一些其他因素，促使了[[沃尔夫冈·泡利|沃夫岡．包立]]於1930年提出微中子存在的假說，嘗試解釋這個現象。假如[[能量守恆]]的基本物理原則仍然成立，那麼貝塔衰變應是三體衰變而非二體衰變。因此包立提出，原子核在貝塔衰變過程中，除了電子之外，還會釋放出另外一種粒子，這種稱為微中子的粒子具有非常微小的質量與零電荷。儘管尚未獲得實驗證實，包立認為正是微中子帶走了衰變過程中「消失」的能量。

[[恩里科·费米]]於1933年將包立的假設發展成{{tsl|en|Fermi's interaction||貝塔衰變的理論}}<ref>{{cite journal | last1 = Yang | first1 = C. N. | year = 2012 | title = Fermi's β-decay Theory | journal = Asia Pacific Physics Newsletter | volume = 1 | issue = 1| pages = 27–30 | doi=10.1142/s2251158x12000045}}</ref><ref name="griffiths">
{{cite book
 |last=Griffiths |first=D.
 |year=2009
 |title=Introduction to Elementary Particles
|url=https://archive.org/details/elementarypartic00grif |url-access=limited |edition=2nd |pages=[https://archive.org/details/elementarypartic00grif/page/n328 314]–315
 |isbn=978-3-527-40601-2
}}</ref>。理論指出，貝塔衰變是由四個[[费米子]]的直接交互作用所組成。在交互作用過程中，一個[[中子]]直接衰變成一個[[电子]]、一個[[質子]]及一個推測存在的[[中微子|微中子]]（後來得知是一個[[中微子|反微中子]]）<ref name="Feynman">
{{cite book
|last=Feynman|first=R.P. |author-link=Richard Feynman
|title=Theory of Fundamental Processes
|year=1962
|publisher={{tsl|en|W. A. Benjamin||W. A. Benjamin}}
|at=Chapters 6 & 7
}}</ref>。這項後來相當成功的理論，是建立在假設性微中子存在的基礎之上。費米最初將他所提出的「初步的」貝塔衰變理論投稿至「[[自然 (期刊)|自然]]」期刊，遭到了期刊的拒絕，原因是「該理論包含了與現實相距過遠的猜測，無法引起讀者的興趣。」<ref name="InwardBound">{{cite book|last1=Pais|first1=Abraham|title=Inward Bound|url=https://archive.org/details/inwardboundofmat00pais_0|url-access=registration|date=1986|publisher=Oxford University Press|location=Oxford|isbn=978-0-19-851997-3|page=[https://archive.org/details/inwardboundofmat00pais_0/page/418 418]}}</ref>

微中子假說與費米的理論面臨一個問題：由於微中子與其他物質的交互作用非常小，以至於似乎不可能觀測。在一份1934年的論文中，[[魯道夫·佩爾斯]]與[[汉斯·贝特]]計算得出微中子能夠輕易穿透地球，而不與任何物質產生交互作用<ref>{{cite journal |journal=[[自然 (期刊)|Nature]] |title=The Neutrino |first1=H. |last1=Bethe |author1-link=Hans Bethe |first2=R. |last2=Peierls |author2-link=Rudolf Peierls |volume=133 |issue=532 |pages=689–690 |date=5 May 1934 |doi=10.1038/133689b0 |bibcode=1934Natur.133..689B |s2cid=4098234 }}</ref><ref name="noblp">
{{cite web |url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1995/
 |title=The Nobel Prize in Physics 1995
 |publisher=[[诺贝尔基金会|The Nobel Foundation]]
 |accessdate=2018-08-24
}}</ref>。

==實驗觀測的可行性==
在{{tsl|en|inverse beta decay||逆貝塔衰變}}中，一個預測存在的微中子（準確來說是一個[[中微子|反電子微中子]]） (<math>\bar{\nu}_e</math>)會與一個[[質子]] ({{SubatomicParticle|Proton}}) 發生反應，產生一個[[中子]] ({{SubatomicParticle|Neutron}}) 與一個[[正電子]] (<math>e^+</math>)：

:<math>\bar{\nu}_e + p \to n + e^+</math>

這個反應發生的機率很小。一個反應發生的機率與其[[截面 (物理)|散射截面]]成正比，而根據科溫與萊因斯的預測，此反應的散射截面約為{{val|6|e=-44|u=cm2}}。核子物理的常用單位是[[靶恩]]（barn），相當於{{val|1|e=-24|u=cm2}}，比這個反應的散射截面大了20個數量級。

雖然反應的機率很低，不過它所具有的獨特特徵，使得這個罕見的反應有機會被偵測到。反應產生的[[正電子]]（[[电子]]的[[反物质]]）將迅速與附近的[[电子]]發生反應而互相[[湮灭]]，兩道同時產生的[[伽马射线]] ({{SubatomicParticle|Gamma}}) 可被偵測。中子則可使用合適的原子核進行捕捉，而放出第三道伽瑪射線。正電子湮滅事件與中子捕捉事件的同時性，是反微中子反應獨一無二的特徵。

[[水的性質|水分子]]由一個氧原子與兩個[[氫原子]]組成，而水中大部分的氫原子核僅由一個質子所構成。這些質子可以作為反微中子的反應標靶，因此只需使用簡單的水，就可以作為反應的主要偵測物質。水中的氫原子受到的束縛力很小，因此在微中子反應中，它們可被視為自由質子。微中子與具有多個質子、中子的重核之間發生的反應，則較為複雜，因為這些質子與核之間有強大的束縛力。

==實驗設置==
[[File:Group portrait of the Project Poltergeist.jpg|thumb|「騷靈計畫」微中子偵測研究團隊的團體照。弗烈德里克．萊因斯拿著海報；克萊德．科溫在最右邊。洛斯阿拉莫斯實驗室，1953年。]]
由於單一微中子與質子發生反應的機會非常微小，因此只有透過使用巨大的微中子流進行實驗，才有可能觀察到微中子。實驗計畫自1951年開始進行，當時科溫與萊因斯兩人仍在新墨西哥州的[[洛斯阿拉莫斯]]擔任研究人員。起初科溫與萊因斯認為，當時正在進行的[[核试验|核武器測試]]可以提供實驗所需的微中子流<ref>
{{cite journal
 |year=1997
 |title=The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist
 |url=http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?25-02.pdf
 |journal={{tsl|en|Los Alamos Science||Los Alamos Science}}
 |volume=25 |page=3
}}</ref>。他們提議使用原子彈作為微中子的來源，獲得了實驗室主管[[诺里斯·布拉德伯里]]的許可。他們計畫引爆一顆「20千噸的核彈，規模相當於投擲在日本廣島的原子彈」，並在爆炸瞬間將偵測器投放到距爆炸點40公尺的一個坑洞裡，以便「捕捉到最大的微中子通量」。此一計畫的偵測器被稱為「El Monstro」<ref name="Abbott">{{cite journal |last1=Abbott |first1=Alison |title=The singing neutrino Nobel laureate who nearly bombed Nevada |journal=Nature |date=17 May 2021 |volume=593 |issue=7859 |pages=334–335 |doi=10.1038/d41586-021-01318-y |url=https://www.nature.com/articles/d41586-021-01318-y |access-date=7 August 2023 |language=en|doi-access=free }}</ref>。他們最終採納了洛斯阿拉莫斯實驗室物理組長J.M.B.克勒格的建議，改用一具[[核反应堆|核反應爐]]作為微中子的來源。反應爐的微中子通量高達{{val|5|e=13}}個微中子每平方公分每秒<ref>
{{cite book
 | author=Griffiths, David J.
 | year=1987
 | title=Introduction to Elementary Particles
 | url=https://archive.org/details/introductiontoel0000grif_o7r4
 | publisher=[[約翰威立|John Wiley & Sons]]
 | isbn=978-0-471-60386-3
}}</ref>，遠超過任何其他[[放射性|輻射源]]所能提供的強度。偵測器由兩大缸水所構成，水中的質子提供了大量的潛在反應標靶。

當微中子在罕見情況下與水中的[[質子]]發生反應時，反應會生成[[中子]]與[[正電子]]。正電子湮滅所產生的兩道伽瑪射線，可以透過夾在水缸兩側的液態{{tsl|en|scintillator||閃爍體}}來偵測。閃爍體受到伽瑪射線的激發而發出閃光，這些閃光可以再透過[[光電倍增器|光電倍增管]]偵測到。

除此之外，若能偵測到微中子實驗產生的中子，則能夠為實驗結果提供再次的驗證。科溫與萊因斯透過在水缸中溶進[[氯化鎘]]（CdCl<sub>2</sub>）來偵測中子。[[镉]]是高效的中子吸收劑，當它吸收中子時，會放出伽瑪射線。

:{{SubatomicParticle|Neutron}} + {{SimpleNuclide|Cadmium|108|link=yes}} → {{SimpleNuclide|Cadmium|109|m|link=yes}} → {{SimpleNuclide|Cadmium|109}} + {{SubatomicParticle|Gamma}}

根據實驗的設計，在微中子反應事件發生後，正子湮滅所產生的兩道伽瑪射線將被偵測到；在幾[[微秒]]後，來自鎘吸收中子所放出的伽瑪射線，也將被偵測到。

科溫與萊因斯設計的實驗，使用了兩缸共約200公升的水，並使用了約40公斤的氯化鎘作為溶質。兩個水缸被夾在三層{{tsl|en|scintillator||閃爍體}}之間，閃爍體層使用了110支五吋（127&nbsp;mm）的[[光電倍增器|光電倍增管]]。

==實驗結果==
[[File:Clyde Cowan.jpg|thumb|弗烈德里克．萊因斯（左）與克萊德．科溫，拍攝於沙瓦納溪實驗的控制站。攝於1956年。]]
科溫與萊因斯在1953年建造了一台偵測器，並將其暱稱為「Herr Auge」，即德文的「眼睛先生」。他們將尋找微中子的計畫取名為「騷靈計畫」，是因為「微中子如鬼魅般難以捉摸的性質」。一個初步的實驗於1953年在[[华盛顿州]][[漢福德區]]進行。1955年末，實驗移至[[艾肯 (南卡罗来纳州)|南卡羅來納州艾肯市]]附近的{{tsl|en|Savannah River Site||薩凡納河實驗室}}<ref>{{cite web |last1=Laboratory |first1=Los Alamos National |title=Ghost particles and Project Poltergeist |url=https://discover.lanl.gov/news/1029-ghost-particles/ |website=Los Alamos National Laboratory |access-date=6 August 2023 |language=en}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Sutton |first1=Christine |title=Ghosts in the machine |journal=CERN Courier |date=July–August 2016 |volume=56 |issue=6 |page=17 |url=https://cds.cern.ch/record/2232603/files/vol56-issue6-p017-e.pdf}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Alcazar |first1=Daniel Albir |title=Ghost particles and Project Poltergeist: Long-ago Lab physicists studied science that haunted them |date=18 November 2020 |url=https://www.osti.gov/biblio/1726118 |publisher=Los Alamos National Lab. (LANL), Los Alamos, NM (United States) |language=English}}</ref>，該實驗室能更好地屏蔽[[宇宙線|宇宙射線]]。屏蔽點在地下12公尺處，與反應器相距11公尺。

在蒐集了數個月的數據之後，資料顯示偵測器中每小時約發生三次微中子反應。為了完全確定他們所觀察到的，確實是前述偵測方法所描述的[[中微子|微中子]]反應，科溫與萊因斯關閉反應爐，證實了偵測到的反應頻率也隨之下降。

科溫與萊因斯根據理論，預測微中子反應的散射截面約為{{val|6|e=-44|u=cm2}}，實際測量值則是{{val|6.3|e=-44|u=cm2}}。實驗結果發表於1956年7月20日的「[[科学 (期刊)|科學]]」期刊上<ref>
{{cite journal
 |author1=C. L. Cowan Jr. |author2=F. Reines |author3=F. B. Harrison |author4=H. W. Kruse |author5=A. D. McGuire |date=July 20, 1956
 |title=Detection of the Free Neutrino: a Confirmation
 |journal=[[科学 (期刊)|Science]]
 |volume=124 |issue=3212 |pages=103–4
 |doi=10.1126/science.124.3212.103
|pmid=17796274
|bibcode = 1956Sci...124..103C }}</ref><ref>
{{cite book
 |last=Winter|first=Klaus
 |year=2000
 |title=Neutrino physics
 |url=https://books.google.com/books?id=v_tiL2NlfvMC&pg=PA38
 |page=38ff
 |publisher=[[劍橋大學出版社|Cambridge University Press]]
 |isbn=978-0-521-65003-8
}}<br>This source reproduces the 1956 paper.</ref>。

==實驗影響==
克萊德．科溫於1974年過世，享年54歲。[[弗雷德里克·莱因斯]]於1995年獲得[[诺贝尔奖]]，以表彰其對於[[中微子|微中子]][[物理学]]的研究成果<ref name="noblp"/>。

在後續多項研究微中子的實驗中，使用大型[[中微子探测器|偵測器]]的實驗方法一再被應用，其中有許多偵測器也是以水為基底。相關的實驗室與實驗計畫包括<ref name="noblp"/>{{tsl|en|Irvine–Michigan–Brookhaven (detector)||爾灣-密西根-布魯克海文偵測器}}、[[超級神岡探測器]]、[[薩德伯里微中子觀測站]]與{{tsl|en|Homestake Experiment||霍姆斯特克實驗}}。霍姆斯特克實驗是一個較為近期的實驗計畫，偵測源自太陽中心核融合反應的[[中微子|微中子]]。多個微中子探測站在1987年偵測到了[[超新星]][[SN 1987A]]的微中子噴發，[[微中子天文学]]因而誕生。根據對[[太陽微中子]]的觀測，薩德伯里微中子探測站提出了[[中微子振荡|微中子振盪現象]]的實驗證明。微中子振盪現象證實了微中子具有質量，這是粒子物理學的一個重大進展<ref name="BargerMarfatia2012">{{cite book|last1=Barger|first1=Vernon|last2=Marfatia|first2=Danny|last3=Whisnant|first3=Kerry Lewis|title=The Physics of Neutrinos|url=https://books.google.com/books?id=qso8NEr3XY8C|year=2012|publisher=Princeton University Press|isbn=978-0-691-12853-5}}</ref>。

==參見==
* {{tsl|en|List of neutrino experiments||微中子實驗列表}}
* [[次原子粒子]]

==參考資料==
{{Reflist}}

==外部連結==
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/cowan.html Cowan and Reines Neutrino Experiment]
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/proton.html#c4 Decay of the Neutron]
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/beta.html#c2 Beta Decay]
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/neutrino.html#c1 Electron Neutrinos and Antineutrinos]
* [http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf Cowan & Reines Experiments: Poltergeist, Hanford, Savannah River]
* [https://www.youtube.com/watch?v=AYqEtm0X2Sc The Neutrino with Dr. Clyde L. Cowan (Lecture on Nobel Prize winning experiment)]

{{DEFAULTSORT:Cowan-Reines neutrino experiment}}

[[Category:粒子实验]]