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{{NoteTA|G1=Physics}}
'''科溫—萊因斯微中子實驗'''（{{lang-en|Cowan–Reines neutrino experiment}}）是1956年由[[聖路易斯華盛頓大學]]校友[[克萊德·科溫]]與[[史蒂文斯理工學院]]及[[紐約大學]]校友[[弗雷德里克·萊因斯]]進行的實驗。此實驗證實了[[微中子]]的存在。微中子（[[次原子粒子]]）沒有[[電荷]]且質量非常小，在1930年代時，曾被推測是[[β衰變]]過程中的基本粒子。由於微中子質量非常小且沒有帶電，這樣的粒子似乎不可能檢測的到。實驗利用了從一旁的核子反應爐產生的大量（當時假設的）反電[[微中子]]和一個由大水箱構成的探測器，從中觀測到微中子與水之質子的相互作用，首次證實了這種粒子的存在和基本性質。

== 背景 ==
1910年代至1920年代間，觀測來自原子核的電子[[β衰變]]時，發現它們的能量具有連續分佈。但是如果這個過程只涉及原子核和電子，電子的能量將會是個單一的高峰，而不是一個連續的能譜。因為僅觀察到了產生的電子，故其變化多端的能量表明了能量可能不守恆。<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 |location=Dordrecht, Holland | publisher=D. Riedel Publishing Company |date=1983 |pages=19–67 |chapter=The Nuclear Electron Hypothesis |isbn=978-90-277-1584-5}}</ref> 這一個困惑和其他的因素導致了[[沃夫岡·包立]]在1930年時，嘗試透過假設中微子的存在來解決這個問題。如果要保留[[能量守恆定律]]這個基本定律，[[β衰變]]必須是三體衰變，而非二體衰變。因此，包立認為除了一個電子之外，應該還有另一個粒子從原子核的β衰變中發射出來。這種粒子(微中子)，質量非常小且不帶電荷；它沒有被觀察到，但卻攜帶著被忽略的能量。

1933年，包立的想法發展成由[[恩里科·費米]]提出的{{tsl|en|Fermi's interaction|費米交互作用|β衰變理論}}<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>該理論認為，β衰變過程由四個直接交互作用的[[費米子]]組成。藉此交互作用，[[中子]]將直接衰變為[[電子]]、推測的[[中微子]](後來確定為[[反中微子]])和[[質子]]。<ref name="Feynman">
{{cite book
|last=Feynman|first=R.P.
|title=Theory of Fundamental Processes
|year=1962
|publisher=W. A. Benjamin
|at=Chapters 6 & 7
}}</ref>該理論仰賴於微中子存在的假設，後來被證明是非常成功的。費米先向期刊｢[[自然 (期刊)|Nature]]｣投稿了他關於β衰變｢暫定｣的理論，但該期刊拒絕了它，理由是｢包含的推測離現實太遠，讀者可能不會感興趣｣。<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>

一個微中子猜想和費米理論共同的問題是，微中子與其他物質的交互作用似乎很弱，以至於其永遠不會被觀測到。在1934年的一篇論文中，[[魯道夫·佩爾斯]]和[[漢斯·貝特]]計算出微中子可以很輕易地穿過地球，不與任何物質產生交互作用。<ref>{{cite journal |journal=[[Nature (journal)|Nature]] |title=The Neutrino |first1=H. |last1=Bethe |author-link=Hans Bethe |first2=R. |last2=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=[[Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 |accessdate=2018-08-24
}}</ref>

== 原理 ==
透過{{tsl|en|Inverse beta decay|逆β衰變}}預測的微中子，更精準地說是[[微中子|反電微中子]](<math>\bar{\nu}_e</math>)，應該與[[質子]]({{SubatomicParticle|Proton}})交互作用而產生[[中子]]({{SubatomicParticle|Neutron}})和[[正電子]](<math>e^+</math>)

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

發生此反應的機率很小。任何反應發生的概率與其[[截面 (物理)|截面]]成正比。科溫和萊因斯預測反應的截面積約為 {{val|6|e=-44|u=cm2}}，在原子核物理學中常用的截面積單位是[[靶恩]]，比{{val|1|e=-24|u=cm2}}大了20個數量級。

儘管微中子產生交互作用的可能性很低，但其特徵是獨一無二的，使得檢測罕見的交互作用是有機會做到的。[[正電子]]([[電子]]的[[反物質]])，會快速與附近的任何[[電子]]交互作用而彼此[[湮滅]]。兩道因此產生且重合的[[伽馬射線]]({{SubatomicParticle|Gamma}})是可以被檢測到的。中子能夠藉由被適當原子核捕獲並釋放出的(第三道)伽馬射線來檢測到。正電子湮滅和中子捕獲事件的巧合給予了反電微中子交互作用獨一無二的特徵。

一個[[水的性質|水分子]]由一個氧和兩個[[氫原子]]組成，水分子中大多數的氫原子都有一個質子作為原子核。這些質子可以作為反微中子的靶，因此單單是水就可以作為主要的檢測材料。氫原子在水中的鍵結非常地弱，以至於它們可以被視為能與微中子交互作用的自由質子。微中子與較重的原子核（具有多個質子和中子）的交互作用機制更為複雜，因其組成的質子在原子核內緊密結合。

== 儀器架設 ==
有鑑於單個微中子與質子相互作用的可能性很小，因此只能透過巨大的微中子[[通量]](flux)來觀測它們。從1951年開始，當時科溫和萊因斯都是[[洛斯阿拉莫斯|新墨西哥州洛斯阿拉莫斯]]的科學家，他們最初認為從當時的[[核試驗|核武器試驗]]中的爆發可以提供檢測微中子所需要的通量。<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}}
 |volume=25 |page=3
}}</ref>根據洛斯阿拉莫斯物理部門負責人J.M.B. Kellogg的建議，他們最終使用[[核子反應爐]]作為微中子的來源。反應爐的微中子通量為每秒每平方公分{{val|5|e=13}}個微中子，<ref>
{{cite book
 | author=Griffiths, David J.
 | year=1987
 | title=Introduction to Elementary Particles
 | publisher=[[John Wiley & Sons]]
 | isbn=978-0-471-60386-3
}}</ref> 遠高於其他[[放射性]]來源可獲得的任何通量。他們使用了由兩個大水箱組成的偵測器，水中的質子中提供了大量的潛在目標以提供微中子產生交互作用。

在罕見的情況下，當微中子與水中的[[質子]]交互作用時，會產生[[中子]]和[[正電子]]。正電子湮滅產生的兩條伽馬射線，是透過將大水箱夾在裝滿液體[[閃爍體探測器]]的液體箱(tank)之間檢測到的。閃爍體的材料受到伽馬射線刺激時會發出閃光，這些閃光會被[[光電倍增管]]所檢測。

檢測來自微中子交互作用的中子，額外提供了更高的確定性。科溫和萊因斯透過在水箱中溶解[[氯化鎘]](CdCl<sub>2</sub>)來檢測中子。[[鎘]]是一種高效的中子吸收劑，當它在吸收了一個中子時會發出伽馬射線。

:{{SubatomicParticle|Neutron}} + {{SimpleNuclide2|鎘|108}} → {{SimpleNuclide2|Cadmium|109|m}} → {{SimpleNuclide|鎘|109}} + {{SubatomicParticle|Gamma}}

整個流程是這樣的，在微中子交互作用事件之後，將檢測到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發射出的伽馬射線。

科溫和萊因斯設計的實驗總共使用了兩個裝水的水箱，總共裝有大約200升的水和大約溶解了40&nbsp;kg的CdCl<sub>2</sub>。水箱夾在三層[[閃爍體探測器]]之間，其中包含110個127毫米(5英寸)的[[光電倍增管]]。

== 結果 ==
[[File:Clyde Cowan.jpg|thumb|right|300px|克萊德·科溫進行中微子實驗，約攝於1956年]]
初步實驗於1953年在[[華盛頓州]][[漢福德區]]進行，但在1955年末，實驗轉移到{{tsl|en|Savannah River Site|薩凡納河廠}}附近[[艾肯 (南卡羅來納州)|艾肯 南卡羅來納州]]。薩凡納河地區對[[宇宙線|宇宙射線]]具有更好的屏蔽效果。該被屏蔽的場所距反應爐11公尺，在地下12公尺深。

經過幾個月累積的數據收集，數據顯示出在探測器中每小時大約有3次微中子的交互作用。為了更加確定他們從上述檢測方法中看到的是[[微中子]]事件，科溫和萊因斯關閉了反應爐以表明檢測到的事件發生率存在顯著的差異。

他們預測反應的截面積約為 {{val|6|e=-44|u=cm2}}，而他們測量的截面積為 {{val|6.3|e=-44|u=cm2 }}。此結果發表在1956年7月20日的[[科學 (期刊)|Science]]雜誌上。<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=[[Science (journal)|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=[[Cambridge University Press]]
 |isbn=978-0-521-65003-8
}}<br>This source reproduces the 1956 paper.</ref>

== 貢獻 ==
克萊德·科溫於1974年去世，享年54歲。1995年，[[弗雷德里克·萊因斯]]因其在[[微中子]][[物理學|領域]]的成果而榮獲[[諾貝爾獎]]。<ref name="noblp"/>

大量使用[[中微子探測器|探測器]]最常見的策略通常是建構在[[水]]之上，用於微中子研究的策略也被隨後的幾個實驗所利用，<ref name="noblp"/>包括{{tsl|en|Irvine–Michigan–Brookhaven (detector)|厄文－密西根－布魯克海汶偵測器}}、{{tsl|en|Kamioka Observatory|神岡探測器}}、[[薩德伯里微中子觀測站]]以及{{tsl|en|Homestake Experiment|霍姆斯特克實驗}}。霍姆斯特克實驗是同時期的一項實驗，檢測來自太陽核心核聚變的[[微中子]]。諸如此類的觀測站在1987年檢測到了來自[[超新星]][[SN 1987A]]的微中子爆發，誕生了[[微中子天文學]]。透過對[[太陽微中子]]的觀測，薩德伯里微中子觀測站能夠證明[[微中子振盪]]的過程。微中子振盪表明了微中子並非沒有質量，這是粒子物理學的一個重大發展。<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|1}}

== 外部連結 ==
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/cowan.html 克萊德·科溫與弗雷德里克·萊因斯的實驗]{{en icon}}
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/proton.html#c4 中子衰變]{{en icon}}
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/beta.html#c2 β衰變]{{en icon}}
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/neutrino.html#c1 電微中子與反微中子]{{en icon}}
* [http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf 科溫與萊因斯實驗：幽靈粒子、漢福德及薩凡納河]{{en icon}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=AYqEtm0X2Sc 微中子與克萊德·科溫博士（諾貝爾獎獲獎實驗之講座）]{{en icon}}

[[Category:粒子实验]]