关于neutron的论文

撰文 | 邢志忠（中国科学院高能物理研究所研究员）

130年前的1891年10月20日，英国物理学家詹姆士·查德威克 （James Chadwick） 降生在英格兰西北部小城博灵顿的一个普通人家。他的童年主要是在祖父母身边度过的，这一点与科学巨匠艾萨克·牛顿 （Isaac Newton） 的童年有些类似。大约在11岁那一年，查德威克来到曼彻斯特与父母团聚，并开始接受中学教育。1907年，中学毕业的查德威克获得了曼彻斯特大学的奖学金，顺利升入大学。就在这一年的5月份，36岁的新西兰裔英国物理学家欧内斯特·卢瑟福 （Ernest Rutherford） 加盟曼彻斯特大学，冥冥之中为查德威克带来了福音。

其实查德威克最初想要在大学攻读的是数学而不是物理学。阴差阳错，他在1908年秋季参加了一场由物理系教师主持的面试。将错就错，生性腼腆的查德威克成为一名物理系的本科生。他在第二学年选修了卢瑟福的电磁学课程，立刻就被这位科学大师的魅力打动了，随后决定跟随卢瑟福做一个具体的科研项目，即研究镭元素的放射性。1911年夏天，他完成了自己的本科学业后，成为卢瑟福的研究生。1912年，查德威克与导师合作发表了他的第一篇学术论文。

卢瑟福的杰出科学才能和影响力使得曼彻斯特大学成为核物理学的研究中心，吸引了世界各地的年轻学者前来 “曼彻斯特学派” 朝拜。1912年3月，27岁的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔 （Niels Bohr） 来到曼彻斯特大学从事博士后研究，他和查德威克很快成为好朋友。一年之后，即1913年7月，玻尔在久负盛名的英国《哲学与科学杂志》 （ Philosophical Magazine and Journal of Science ） 上发表了一篇重要论文，首次提出了量子化的氢原子模型。这一工作成为量子理论发展史的里程碑之一，也使得玻尔本人荣获了1922年的诺贝尔物理学奖。

身处在曼彻斯特大学如此卓越的学术氛围中，年轻的查德威克想要不成功都难。

1912年夏天，查德威克以优异的科研纪录获得了硕士学位。尽管卢瑟福希望查德威克继续留在自己身边做研究，但由于其他原因，查德威克还是于1913年秋季来到德国柏林，加入到盖革计数器的发明者汉斯·盖格的实验室。

盖革也曾在曼彻斯特工作，是卢瑟福的重要合作者之一，因此爱屋及乌，对查德威克照顾有加。当时柏林是世界核物理学与放射化学的研究中心之一，后来因发现核裂变而名留青史的奥托·哈恩 （Otto Hahn） 和莉泽·迈特纳 （Lise Meitner） 等大科学家都在那里工作，这促使查德威克选择原子核的贝塔衰变作为自己的新研究课题。

一直以来，学术界以为原子核的贝塔衰变是两体过程：母核裂变成子核，并放射出一个电子，因此后者具有确定的能量，即其能谱应该呈现出的是单能分立谱。但到了1913年，曼彻斯特学派与哈恩实验室给出的初步观测结果却与此预期相矛盾。利用比先前的感光胶片探测技术更先进的盖革计数器，查德威克重新测量了贝塔衰变的电子能量，发现其呈现的是连续变化的谱型。他以单一作者的身份在1914年发表了这一测量结果，立即得到了卢瑟福和哈恩等人的认可，却受到了迈特纳的质疑。1927年，曼彻斯特实验室的查尔斯·埃利斯 （Charles Ellis） 和威廉·伍斯特 （William Wooster） 完成了关于贝塔衰变能谱的更可靠测量，确认了电子的能谱为连续谱。他们的实验结果随后也被迈特纳的课题组证实。于是能量在贝塔衰变的过程中是否严格守恒的问题，即所谓的 “能量危机” （energy crisis） ，成为20世纪20到30年代漂浮在核物理学天空的一朵乌云。

为了解释贝塔衰变的连续能谱问题，玻尔提出了在微观世界能量守恒可能只是一个统计平均规律的观点，即对于单个微观反应过程可能存在能量不严格守恒的情况。这一观点无疑与美国物理学家亚瑟·康普顿 （Arthur Compton） 在1923年发表的光子与电子散射的实验结果相矛盾，后者清楚地表明诸如此类的微观散射过程是严格遵守能量和动量守恒定律的。事实上，要想解释当年的贝塔衰变实验结果，理论家们还面临着另一个挑战：怎样保证初态和末态粒子的总角动量守恒？

这时候最有资格说话的人当数1925年1月提出 “不相容原理” （exclusion principle） 的奥地利物理学家沃夫冈·泡利 （Wolfgang Pauli） ，因为他对原子核和基本粒子的自旋角动量太敏感了。1930年12月，泡利在一封写给研究原子核放射性的同行们的公开信中，提出了他解决贝塔衰变“能量危机”问题的方案。他假设在原子核的贝塔衰变过程中，除了产生子核和电子，还会释放出一个质量很小、电中性的新粒子，其自旋量子数等于1/2。泡利将这种看不见、摸不着的假想粒子称作“中子” （neutron） ，显然他还不知道“中子”的概念早在1920年就被卢瑟福发明和占用了——用以描述另一种电中性、质量与质子相当且可以作为原子核基本组分的的假想粒子。后来意大利物理学家恩里科·费米 （Enrico Fermi） 把泡利设想的 “中子” 改称为 “中微子” （neutrino） ，意即微小的 “中子”。

有了中微子的存在，贝塔衰变反应的能量守恒、动量守恒和角动量守恒都不再是问题；而电子的能谱之所以呈现为连续谱，则是由于电子不得不与中微子分享母核与子核的质量差所对应的反应能量。在这样的三体衰变过程中，中微子携带一部分能量和动量逃之夭夭。但当年的实验技术根本无法证实泡利的假说。直到1956年，作为假想粒子的中微子才首次在反应堆实验中被验明正身。

回到1914年8月，查德威克的科研工作由于第一次世界大战的爆发而被迫中断。尽管得到德国同事的保护，作为战争敌对国公民的查德威克还是在当年的11月份遭到当局的逮捕，被关进了柏林西部的一所集中营。不过他在狱中过得并不寂寞，甚至有机会定期给狱友们讲授电磁学和放射性的知识。巧的是，卢瑟福的另一个学生埃利斯也被囚禁在这所集中营，他也因此成了查德威克的好朋友。由于战争所导致的食物短缺，查德威克在狱中因严重的营养不良而患上了消化道疾病。1918年11月，战争终于结束了。查德威克和埃利斯辗转回到自己的祖国英格兰，他们二人后来成为剑桥大学的同事。

1930年，剑桥大学出版社出版了卢瑟福、查德威克和埃利斯三人合作撰写的《放射性物质的辐射》一书，系统地总结了氦核 （即阿尔法粒子） 与氦核、质子以及重原子核的散射实验结果，为强相互作用理论的建立奠定了初步的实验基础。1935年，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）提出原子核之间通过交换轻介子实现相互作用的理论图像，这一工作是他的科研处女作，他一炮而红，并因此于1949年获得了诺贝尔物理学奖。

就在1930年，德国科学家沃尔特·博特 （Walter Bothe） 和赫伯特·贝克 （Herbert Becker） 在氦核与铍原子核的散射实验中观测到一种穿透力很强、不会在电场中偏转的射线，他们将其理所当然地解释为伽玛射线。两年之后的1932年，居里夫人的长女伊雷娜·约里奥·居里 （Irene Joliot-Curie） 与丈夫弗雷德里克·约里奥·居里 （Frederic Joliot-Curie） 重复了这一实验。他们发现用博特和贝克所观测到的射线轰击含有氢原子的物质时，会产生高能质子。那么，这种新型的射线究竟是不是伽马射线呢？

当然不是！查德威克和他的导师卢瑟福都不相信约里奥-居里夫妇的实验结果可以解释为质子与光子的康普顿散射。查德威克马上着手设计了一个实验，并在三周之内就得到了自己的测量结果。他发现新型的射线并非伽马射线，而是一种由电中性、质量与质子相当的新粒子构成的束流。1932年2月27日，英国《自然》期刊发表了查德威克的实验结果。他的这篇题为 “可能存在中子” （Possible existence of a neutron） 的论文长度不足一页纸，不含有任何公式和图表，仅包含大约700个单词。查德威克在论文的结尾处明确指出，“迄今为止，所有的证据都倾向于中子，而量子假设（即伽马射线假设）不成立，除非在某种程度上放弃能量和动量守恒”。于是中子作为原子核的另外一种基本组分被发现了！1935年，44岁的查德威克因发现中子而荣获了诺贝尔物理学奖。

为什么是查德威克而不是约里奥·居里夫妇率先发现了中子？答案很简单： 因为查德威克是卢瑟福的学生，早就知道自然界有可能存在一种与质子的强相互作用属性很相似的粒子，它的名字叫做中子。 这就是在大师身边工作更容易成为大师的绝佳例子。相比之下，约里奥·居里夫妇不得不承认，尽管他们二人也处在大师 （居里夫妇等） 云集的科研环境中，却对中子的概念一无所知，因此未能在第一时间对自己的实验结果做出正确的解释，从而错失了发现中子的良机。

不过令人欣慰的是，两年后的1934年2月10日，《自然》杂志发表了约里奥·居里夫妇合作完成的一篇题为 “一种新型放射性元素的人工产生” （ Artificial production of a new kind of radio-element ） 的论文。这篇论文也不足一页纸，仅含有大约620个单词和1个化学反应方程式，但它却是人工放射性的开山问鼎之作。凭借这一发现，约里奥-居里夫妇以超乎寻常的速度拿下1935年的诺贝尔化学奖！人们不禁要问一个有趣的问题：假如约里奥·居里夫妇在1932年正确地理解了自己的实验结果，并宣布发现了中子，那么他们有可能一举包揽1935年诺贝尔物理学和化学两项大奖吗？

1935年秋天，在获得诺贝尔奖之前，查德威克被聘为利物浦大学教授。他在那里推动建造了一台回旋加速器，使得利物浦成为欧洲核物理学的研究中心之一。查德威克也是英美两国在曼哈顿计划中开展合作的关键人物，因为中子的发现是制造原子弹的重要前提之一。1948年，查德威克重返剑桥大学，成为科维尔与凯乌斯学院的院长。他于1958年底退休，与妻子搬到北威尔士居住；十年后他们又搬回剑桥，住在离女儿们不远的地方。

主要参考文献：

1) A. Brown, The neutron and the bomb: a biography of Sir James Chadwick, Oxford University Press, New York, 1997.

2) G. Ecker, James Chadwick: a head of his time, arXiv:, 2020.

3) J. Chadwick, Possible existence of a neutron, Nature 129 (1932) 312.

4) F. Joliot and I. Curie, Artificial production of a new kind of radio-element, Nature 133 (1934) 201.

一个由瓦伦西亚人参与的国际科学小组首次成功测量了磁星在其最猛烈时刻的亮度振荡。在短短 10 分之一秒内，磁星释放的能量相当于太阳 10 万年产生的能量。得益于瓦伦西亚大学图像处理实验室 (IPL) 开发的人工智能系统，该观察在没有人工干预的情况下进行。

在中子星中，直径约 20 公里的物体的质量是地球的 50 万倍，它们是磁星，这是一个已知磁场最强烈的小群。这些天体中只有 30 个已知，它们遭受猛烈喷发，但由于其出乎意料的性质和仅 10 秒的持续时间，人们仍然鲜为人知。检测它们是科学和技术的挑战。

在过去的 20 年里，科学家们一直想知道磁星中是否存在高频振荡。该团队最近在《自然》杂志上发表了他们对磁星爆发的研究。他们测量了磁星在其最猛烈时刻的亮度振荡。这些事件是理解巨磁星爆发的重要组成部分。这项工作由瓦伦西亚大学的六名研究人员和西班牙合作者进行。

“即使处于非活动状态，磁星的亮度也可能是我们太阳的 100,000 倍，但就我们研究的闪光——GRB2001415 而言——释放的能量相当于我们的太阳在 100,000 年内辐射出的能量，”来自 IAA-CSIC 的首席研究员 Alberto J. Castro-Tirado 说。

“磁星的爆炸持续了大约十分之一秒，是在 2020 年 4 月 15 日在大流行期间被发现的，”紫外线天文学和天体物理学教授、图像处理实验室研究员维克多·雷格莱罗说(IPL)，该文章的合著者和 ASIM 的建筑师之一，ASIM 是国际空间站上检测到火山喷发的仪器。“从那时起，我们开展了非常密集的数据分析工作，因为它是一颗 10 ** 16 高斯中子星，位于另一个星系。一个真正的宇宙怪物，”雷格莱罗说。

科学家们认为，磁星的爆发可能是由于磁层的不稳定性或地壳中产生的一种“地震”，地壳是一个大约一公里厚的刚性和弹性层。“无论触发因素如何，都会在恒星的磁层中产生一种波——阿尔文——在太阳中众所周知，它们相互相互作用，消耗能量，”阿尔贝托·J·卡斯特罗-蒂拉多解释说。

根据这项研究，在喷发中检测到的振荡与阿尔文波相互作用产生的辐射一致，阿尔文波的能量被地壳迅速吸收。因此，在几毫秒内，磁重联过程以及在 GRB2001415 中检测到的脉冲结束，在主爆发后 毫秒消失。对该现象的分析使得估计喷发的体积与中子星本身的体积相似甚至更大成为可能。

此次喷发是由国际空间站 (ISS) 上的 ASIM 仪器检测到的。ASIM 是七台望远镜中唯一一台能够在其整个能量范围内记录喷发的主要阶段而不会出现饱和现象的望远镜。科学团队能够解决事件的时间结构，这是一项真正复杂的任务，涉及一年多的分析，仅用了两秒钟，在此期间收集数据。

大气空间相互作用监测器 (ASIM) 是由丹麦、挪威和西班牙开发的欧空局任务，自 2018 年以来一直在国际空间站运行，由研究人员 Torsten Neubert（丹麦技术大学）、Nikolai Ostgaard（卑尔根大学，挪威）和 Víctor Reglero（西班牙瓦伦西亚大学），他们组成了 ASIM 设施科学团队。

ASIM 的目标是监测地球大气中从光学波长到 40 MeV 的伽马波长的剧烈现象，这是该望远镜自 2018 年 6 月以来一直在开展的一项活动。它已经探测到 1,000 次伽马射线爆发。“鉴于这些现象是不可预测的，当发生某些事情时，ASIM 会完全自主地做出决定，并将数据发送到位于哥本哈根、卑尔根和瓦伦西亚的科学数据中心的不同中心，”维克多·雷格莱罗解释说。

从信号分析的角度来看，在 GRB2001415 中检测准周期振荡是一个相当大的挑战。“困难在于信号的短暂性，其幅度迅速衰减并嵌入背景噪声中。而且，由于它是相关噪声，因此很难区分其信号，”雷格莱罗说。人工智能系统与复杂的数据分析技术相结合，使研究人员能够检测到这一壮观的现象。

尽管已经在银河系 30 颗已知磁星中的两颗以及附近的其他星系中检测到了这些喷发，但 GRB2001415 是迄今为止捕获到的最遥远的磁星喷发，位于约 1300 万光年外的 Sculptor 星系群中。“从透视角度来看，磁星似乎想从宇宙的孤独中向我们表明它的存在，以 kHz 的频率以十亿个太阳的帕瓦罗蒂的力量歌唱，”雷格莱罗说。

据该论文的作者称，这次喷发为了解中子星内部和周围如何产生磁应力提供了一个重要的组成部分。对附近星系中的磁星进行持续监测将有助于了解这种现象，也将为更好地了解快速射电爆发铺平道路，这是目前天文学中最神秘的现象之一。

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白晓建研究员和他的同事利用ORNL散裂中子源的中子，在1929年发现的一种相当简单的碘化铁材料中发现了隐藏的量子波动。这项研究表明，许多类似的磁性材料可能具有有待发现的量子特性。来源:ORNL 具有更新颖性能的先进材料几乎总是通过在原料列表中添加更多的元素来开发的。但量子研究表明，一些更简单的材料可能已经拥有了科学家们直到现在才发现的高级特性。 佐治亚理工学院和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员发现了一种近一个世纪前发现的相当简单的碘化铁材料(FeI2)中隐藏的、意想不到的量子行为。在美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)，通过中子散射实验和理论物理计算的结合，对这种材料的行为进行了新的研究。 该团队的发现——发表在《自然物理》杂志上——解决了一个关于这种材料神秘行为的40年的谜题，并可以作为一张地图，打开在其他材料中量子现象的宝库。 “我们的发现很大程度上是出于好奇心，”该论文的第一作者白晓建(音)说。白博士在乔治亚理工学院获得博士学位，目前在ORNL做博士后研究员，在那里他用中子研究磁性材料。“我是2019年博士论文项目的一部分，偶然发现了这种碘化铁材料。我试图找到一种具有磁性三角形晶格排列的化合物，这种结构表现出所谓的‘挫败磁性’。” 在普通的磁铁中，比如冰箱上的磁铁，这种材料的电子排列成箭头一样，要么都指向同一个方向——上或下——要么在上和下之间交替。电子指向的方向叫做“自旋”。但在更复杂的材料中，如碘化铁，电子排列在一个三角形网格中，其中三个磁力点之间的磁力相互冲突，不确定指向哪个方向——因此，“磁性受挫”。 “当我阅读所有的文献时，我注意到这种化合物，碘化铁，在1929年被发现，并在70年代和80年代被深入研究，”白说。“当时，他们看到了一些奇特的，或非常规的行为模式，但他们没有真正的资源来完全理解他们为什么会看到它。”所以，我们知道有一些奇怪而有趣的问题没有得到解决，与40年前相比，我们有了更强大的实验工具，所以我们决定重新审视这个问题，希望提供一些新的见解。” 量子材料通常被描述为表现出奇异行为、违反经典物理定律的系统——比如固体材料表现出液体的行为，粒子像水一样移动，即使在冻结的温度下也不会冻结或停止运动。理解这些奇异现象是如何工作的，或者它们的潜在机制，是推进电子学和开发其他下一代技术的关键。 “在量子材料中，有两件事非常有趣:物质的相，如液体、固体和气体，以及这些相的激发，如声波。类似地，自旋波是磁性固体材料的激发，”佐治亚理工学院物理学教授Martin Mourigal说。“很长一段时间以来，我们在量子材料的 探索 一直是寻找奇异的相，但我们在这项研究中问自己的问题是:‘也许相本身不是明显的奇异，但如果它的激发是奇异的呢?’”这确实是我们的发现。” 中子是研究磁性的理想探测器，因为它们本身就像微型磁铁，可以用来与其他磁性粒子相互作用并激发它们，而不影响材料的原子结构。 当Bai还是佐治亚理工学院Mourigal的研究生时，他就开始接触中子。Mourigal是ORNL高通量同位素反应堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)的频繁中子散射用户，已经有几年了。利用美国能源部科学办公室的用户设施来研究各种量子材料及其各种奇怪的行为。 当Bai和Mourigal将碘化铁材料暴露在一束中子中，他们期望看到一个特定的激发或能量带与来自单个电子的磁矩相关;但他们看到的不是一个，而是两个不同的量子涨落同时发出。 “中子让我们可以非常清楚地看到这种隐藏的波动，我们可以测量它的整个激发谱，但我们仍然不明白为什么我们会在一个明显的经典阶段看到这种异常行为，”白说。 为了找到答案，他们求助于理论物理学家克里斯蒂安·巴蒂斯塔，他是田纳西大学诺克斯维尔分校的林肯讲座教授，也是ORNL的舒尔·沃兰中心的副主任。舒尔·沃兰中心是一个中子科学的联合研究所，为访问研究人员提供额外的中子散射资源和专业知识。 白(上图)所拿的一小块碘化铁样品被安装并准备用于中子散射实验，该实验被用来测量材料的基本磁激励。来源:ORNL 在巴蒂斯塔和他的团队的帮助下，该团队能够对神秘的量子涨落的行为进行数学建模，在使用SNS的CORELLI和SEQUOIA仪器进行额外的中子实验后，他们能够确定导致它出现的机制。 巴蒂斯塔说:“理论预测和我们能够用中子证实的是，当两个电子之间的自旋方向翻转，它们的磁矩向相反的方向倾斜时，这种奇异的波动就会发生。”“当中子与电子的自旋相互作用时，自旋在空间中沿一定方向同步旋转。这种由中子散射引发的舞蹈产生了自旋波。” 他解释说，在不同的材料中，电子自旋可以呈现出不同的方向和自旋动作，从而产生不同种类的自旋波。在量子力学中，这一概念被称为“波粒二象性”，其中新波被视为新粒子，在正常条件下通常隐藏在中子散射中。 “从某种意义上说，我们在寻找暗粒子，”巴蒂斯塔补充说。“我们看不见它们，但我们知道它们在那里，因为我们能看到它们的影响，或者它们与我们能看到的粒子之间的相互作用。” “在量子力学中，波和粒子没有区别。我们基于波长了解粒子的行为，这就是中子允许我们测量的东西，”白说。 Mourigal把中子探测粒子的方式比作海洋表面岩石周围的波浪。 莫里格尔说:“在静止的水中，我们看不到海底的岩石，直到海浪掠过它。”只有用中子创造尽可能多的波，通过克里斯蒂安的理论，肖建才能识别出岩石，或者在这种情况下，使隐藏的波动可见的相互作用。 利用量子磁行为已经导致了技术进步，如核磁共振成像机和磁性硬盘存储，促进了个人计算。更多奇异的量子材料可能加速下一波技术浪潮。 除Bai、Mourigal和Batista外，论文的作者还包括张尚顺、邓志玲、张浩、黄庆、周海东、Matthew Stone、Alexander Kolesnikov和Ye Feng。 自他们的发现以来，该团队利用这些见解开发和测试了一系列更广泛的材料，他们预计这些材料将产生更有希望的结果。 “当我们在一种材料中引入更多的成分时，我们也会增加潜在的问题，如无序和异质性。如果我们真的想了解并创造基于材料的干净量子力学系统，回到这些简单的系统可能比我们想象的更重要。” 白说:“这就解决了碘化铁中存在了40年的神秘激发之谜。”“我们今天有优势，在大规模的中子设施的进步，如SNS，允许我们基本上探测材料的整个能量和动量空间，看看发生了什么与这些奇异的激发。 “现在我们了解了这种奇异的行为是如何在相对简单的材料中起作用的，我们可以想象在更复杂的材料中会发现什么。”这一新的理解激励了我们，也希望它能激励科学界去研究更多这类材料，这必将导致更有趣的物理学。”