「Why is this so late?」有望獲得諾貝爾獎，卻被死神奪走桂冠的物理學家考恩

文：高崇文

著名的物理學家，史蒂芬．霍金過世也快滿四年了，他一生最大的遺憾應該是與諾貝爾獎無緣。與他一起研究時空奇異點的羅傑．潘洛斯爵士（Sir Roger Penrose）則在霍金過世後兩年的2020年得到諾貝爾獎，可惜諾貝爾獎的規定僅頒發給在世的人，而且諾貝爾獎委員會非常謹慎，只頒給那些已經被實驗詳盡驗證過的研究。由於驗證的過程可能曠日廢時，所以不意外地，頒獎的時候有些合作者早已離開人世了。

這些被死神搶去的桂冠，屬於物理領域的為數不少，除了赫赫有名的霍金以外，還有不少科學家因為等不到諾貝爾獎而過世。阿文在此就先介紹克萊德．洛蘭．考恩（Clyde Lorrain Cowan Jr, 1919–1974），讓大家認識一下。

美國物理學家克萊德．洛蘭．考恩與弗雷德里克．雷恩斯（ Frederick Reines, 1918-1998）共同證實了微中子的存在。雷恩斯於1995年得到諾貝爾物理學獎，但是考恩卻早在21年前就過世了。

圖片來源：Wikimedia Commons

考恩出生於密西根州的底特律，但是成長於密蘇里州的聖路易。考恩從1936年到1940年，在密蘇里州羅拉的密蘇里礦業與冶金學院就讀，並在預備役軍官訓練團接受訓練。在學期間他還擔任過密蘇里礦工報的主編，1940年獲得化工學士學位。

1941年美國加入第二次世界大戰時，考恩以中尉軍銜加入美國陸軍化學戰服務隊。1942年8月，他被調往隸屬艾森豪麾下，駐紮在英國倫敦的第八航空隊。1943年，他設計並建造了一個實驗性的清潔裝置，可以在毒氣攻擊時使用。次年，他加入了研發雷達的麻省理工學院輻射實驗室的英國分部，成為那裡的工作人員。1945年，他被晉升為美軍在英國皇家空軍的聯絡官，致力於加快訊息和設備的傳輸。

1945年他回到美國，在俄亥俄州代頓的賴特帕特森空軍基地工作。 考恩於1946年從軍中退伍後，就讀於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學，獲得物理的碩士學位和博士學位。他是1944年軍人復員法案（Servicemen's Readjustment Act of1944）的受益者，經常被稱為美國軍人權利法案（G.I. Bill of Rights，或G.I. Bill），考恩退伍後就讀於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學，獲得物理碩士學位和博士學位。

美國軍人權利法案是美國國會在1944年通過此法案，給與退伍軍人各種福利。這些福利包括了高等教育及職業訓練的各種補貼。他從化工轉到物理，應該與他在英國參與輻射實驗室英國分部有關吧。

1949年，考恩加入了新墨西哥州洛斯阿拉莫斯科學實驗室，成為那裡的工作人員，在那裡他遇到了雷恩斯。雷恩斯原本是理論物理學家，博士論文是原子核的液滴模型，但是他在戰時參與曼哈頓計畫，這讓他逐漸成為核子物理實驗的專家。

雷恩斯自述，早在1947年他就想做實驗來驗證微中子的存在了。儘管早在1930年包立就主張貝他衰變會產生這個質量極小又不帶電荷的粒子，但是一直沒有實驗可以支持這個大膽的主張。關鍵在於微中子似乎與其他物質的相互作用非常微弱，以至於大部分科學家都相信它是無法被偵測到的。

在1934年的一篇論文中佩爾斯（Rudolf Peierls）和貝特（Hans Bethe）就曾計算出微中子可以很容易地穿過地球而不與任何物質發生相互作用。所以雷恩斯想去偵測微中子真的是勇氣可嘉。

事實上，偵測微中子雖然困難，卻不是絕不可能。電子反微中子還是會與質子反應，產生中子與正電子。它與質子的相互作用雖然很小，但還是有機會被偵測到的。任何給定反應的發生概率與其散射截面成正比。考恩和雷恩斯首先估計反貝它衰變的散射截面約為 6×10^-44 cm²。核物理學中散射截面的常用單位是靶恩（barn），其大小為1×10⁻²⁴ cm²，比這個反應的散射截面還大上 20 個數量級呢。

儘管微中子與質子相互作用的機率很低，但相互作用的特徵卻是獨一無二的，這使得檢測稀有相互作用成為可能。

順便提一下， 靶恩本意是榖倉，怎麼會變成單位呢？這是源於二次世界大戰時，研究原子彈的研究中的美國物理學家在研究把中子撞擊原子核時，需要一個表示原子核大致散射截面（10⁻²⁸ m²） 的單位。美國有句俚語叫做「準頭差得打不中糧倉（barn）」，因此曼哈頓計劃裡的物理學家就採用了「barn」這個名稱當作單位。他們希望這源自美國俚語的名稱能掩飾他們對核子結構的研究，但最後該單位居然成為了粒子物理學中的標準單位。

由於正電子是電子的反粒子，它會非常迅速地與周遭的電子相互湮滅。所以實驗學家可以檢測正電子與電子相互湮滅所產生的兩條伽馬射線。而中子可以通過被適當的原子核捕獲並釋放出第三條伽馬射線。檢測正電子湮滅和中子俘獲事件的伽馬射線的時間，就可以當作是反微中子與質子相互作用的獨特特徵。

鑑於單個反微中子與質子相互作用的可能性很小，因此只能在微中子通量極為巨大的條件下才有可能觀察到微中子的蹤跡。一開始考恩和雷因斯甚至考慮，當時正在進行的原子武器試驗中的微中子爆發，可以提供足夠的微中子通量，也許可以利用核彈試爆時從事相關的實驗，不過這實在太危險了！後來按照洛斯阿拉莫斯物理部門負責人 J.M.B. 凱洛格（Jerome .M. B. Kellogg）的建議，他們最終使用核反應堆作為微中子的來源。