作者：葛韶锋
这项60年前的工作，今天还在为粒子物理研究指引着前进的方向
中微子是粒子物理标准模型中非常独特而重要的基本粒子。中微子只参与弱相互作用，能够穿透几光年的铅板，是非常难以探测的鬼魅粒子。然而，恰恰是中微子率先给出了超出标准模型的第一个新物理现象——中微子振荡——这已经得到大量实验的证实，并于2015年获诺贝尔物理学奖，成为指引超出标准模型新物理研究的重要线索。在上世纪五六十年代粒子物理发展的黄金期，施瓦兹、李政道与杨振宁提出的高能加速器中微子实验原理，是一个非常革命性的思想，一直在有力地推动着包括中微子在内的粒子物理不断向前发展。
1959年11月24日，在哥伦比亚大学物理系每天下午的咖啡点（coffee hour）上，李政道先生引导众人探讨在高能量探测弱相互作用的实验方法。在当时的弱相互作用研究中，已经可以通过费米1933年建立的四费米相互作用,以及盖尔曼-费曼-马夏克-苏达山1958年建立的V-A耦合理论完美地解释贝塔衰变。然而，由于四费米相互作用无法重整，在高能时会出现无穷大的发散。这意味着四费米相互作用只是低能量条件下的有效算符，是高能完整理论的近似。要想进一步探究弱相互作用的完整面貌，必须寻找更高能量的实验探针。当天李政道先生带着大家探讨了高能加速器可能产生的各种粒子，包括质子、电子、派介子、缪子等等。但这些都因为会涉及到电磁相互作用或强相互作用，无法避免对探测弱相互作用产生干扰，从而一一被否决。
虽然下午的讨论无果而终，但引起了施瓦兹（Melvin Schwartz）对这个问题的强烈兴趣。当天晚上施瓦兹突然意识到，中微子只参与弱相互作用，可以天然地避免电磁相互作用或强相互作用的干扰，是探测弱相互作用的理想探针。虽然中微子参与的相互作用非常弱，但探测中微子也不是完全不可能。难以抑制兴奋的施瓦兹连夜拨通了李政道家的电话，而李政道听了这个想法后也非常激动，很快便着手通过计算验证施瓦兹的想法。不久之后的1960年3月15日，施瓦兹、李政道和杨振宁在《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上发表了两篇背靠背的文章：
Phys.Rev.Lett. 4 (1960) 306-307
施瓦兹的实验文章《用高能中微子研究弱相互作用的可能性》[1] 提出，用高能质子束打靶，可以产生大量的派介子，这些高能派介子随后衰变，产生高能中微子束流。他同时估计，从派介子衰变出来的中微子，最多大概能携带派介子一半的能量。施瓦兹给出了实验的基本概念设计和信号事例数的估算，并在此基础上提出了高能中微子实验的可行性和基本设计要求。在文章末尾，施瓦兹特别感谢了李政道和杨振宁两位。
Phys.Rev.Lett. 4 (1960) 307-311
李政道和杨振宁的理论文章《可能的高能中微子实验的理论讨论》[2]，则广泛探讨了高能加速器中微子束流的可能应用，一口气提出了九大方向：
1）区分电子相关的中微子和缪子相关的中微子是否是两种不同的中微子；
2）检验轻子数守恒；
3）检验轻子是否参与电磁相互作用之外的中性流相互作用；
4）检验轻子是否是点粒子；
5）检验电子和缪子参与的相互作用是否完全一致；
6）检验中微子和反中微子之间是否存在S-对称性；
7）检验矢量流守恒；
8）检验是否存在带电的W规范粒子；
9）探测大动量转移的相互作用。
文章最后也感谢了施瓦兹。这篇文章被先后收录在《杨振宁论文选》[3] 和《李政道科学论文选》[4] 中。
这两篇文章建立了高能加速器中微子实验这一开创性的思想，为之后的中微子研究指明了方向。包括莱德曼（Leon Lederman）、施瓦兹、斯坦伯格（Jack Steinberger）按照李杨理论文章的建议，于1962年用高能加速器产生的中微子验证了存在电子和缪子相关的两种中微子，并因此获得1988年的诺贝尔物理学奖。施瓦兹在他的诺贝尔奖讲座 [5] 中回忆道：“哥伦比亚大学物理系有咖啡点的传统……在其中一个咖啡点上，李政道教授引导了讨论在高能量探测弱相互作用的可能性……那天晚上我突然得到一个关键的想法……我打电话到李政道家里告诉他这个消息，他听了之后非常地高兴。第二天就开始紧锣密鼓地准备这个实验……。”在施瓦兹为诺贝尔奖准备的个人简介 [6] 里也充满感激地提到：“李政道是这个实验的灵感激发者”。在诺奖晚宴致辞 [7] 中，莱德曼还代表三人特别感谢了李政道先生：“我们还要感谢很多人，特别要提出我们哥伦比亚大学的同事——李政道教授，感谢他的指导和灵感。”这项工作是理论家和实验家紧密合作的光辉典范。
这项60年前的工作，今天还在为粒子物理研究指引着前进的方向。比如日本的T2K/T2HK实验、美国的NO
A和DUNE实验以及中国正在规划设计的 MOMENT 实验，利用高能加速器中微子来测量中微子混合矩阵中的轻子CP相角，这有助于理解宇宙中的正反物质不对称这一基本问题：在宇宙中看到大量的物质，但基本没有反物质存在。高能加速器中微子实验从60年前原理的提出，直到今天一直在粒子物理的前沿研究中发挥着不可替代的作用。
参考文献：
[1] M. Schwartz, “Feasibility of using high-energy neutrinos to study the weak interactions”, Phys.Rev.Lett. 4 (1960) 306-30
[2] T.D. Lee & C.N. Yang, “Theoretical Discussions on Possible High-Energy Neutrino Experiments”, Phys.Rev.Lett. 4 (1960) 307-311
[3] C.N. Yang, Selected Papers 1945-1980 with Commentary, San Francisco, 1983; Page 281-285 (commentary on Page 46), World Scientific Series In 20th Century Physics Vol 36, 2005
[4] T.D. Lee, Selected Papers, Vol. 1, Page 45-49. Contemporary Physicists Vol 1, 1986
[5]Melvin Schwartz 的诺贝尔奖讲座“The First High Energy Neutrino Experiment”：https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/schwartz-lecture.pdf
[6] Melvin Schwartz 为诺贝尔奖准备的个人简介：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1988/schwartz/biographical/
[7] Leon Lederman 的诺贝尔奖晚宴致辞：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1988/lederman/speech/
封面图http://particlecentral.com/neutrinos_page.html