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諾貝爾解碼:最小的鬼魅 (2015)

2016/2/11 — 13:00

1970 年 11 月 13 日,首次利用氫氣泡室對於微中子進行的觀測。微中子撞擊了氫原子中的質子。這撞擊發生於照片右方,是三條由帶電粒子所形成軌跡的匯集之處。 via Wikipedia

1970 年 11 月 13 日,首次利用氫氣泡室對於微中子進行的觀測。微中子撞擊了氫原子中的質子。這撞擊發生於照片右方,是三條由帶電粒子所形成軌跡的匯集之處。 via Wikipedia

自文明啟始,人類總是希望弄清楚世界的基本構造。兩千年前有希臘哲學家 Democritus 提出原子論 --- 原子,為物質不可分解的最小單位——而中華文明和西方文明亦奉行元素世界觀,把世界分解為例如金、木、水、火、土。雖然這些想法很粗糙,但現代粒子物理 (particle physics) 其實跟它們一脈相傳; 2015 年諾貝爾物理學獎所榮耀的發現,為我們了解微觀世界踏出了重要的一步。

2015 年的得獎者為梶田隆章 (Takaaki Kajita) 和 Arthur B. McDonald ,後者為加拿大人。兩人因為「發現了中微子振盪,並因此展示了中微子有質量」而得獎。那麼,中微子是什麼東東呢?

中微子 (neutrino) 是基本粒子,也就是說根據已知理論它不能再分解。它有三種「味道 (flavour) 」,分別為電子、緲子和陶子*,名稱來自與中微子同時出現的粒子。恆星如太陽在進行核融合時會產生電子中微子,核電站如是;而宇宙射線中與大氣層碰撞時,亦會產生緲子中微子。甚至當你體內的鉀元素衰變時,亦會每秒產生約 5,000 顆![1]

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(*除了質量不同,電子、緲子和陶子都有一個單位的電荷,性質非常相似。)

但為什麼我們沒有感覺到呢?這是因為中微子幾乎不會跟普通物質產生反應。我們的身體、以致整個地球,對中微子來說幾乎是透明的。 發現這種粒子,從理論到成功探測用了 26 年

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消失的粒子

自六十年代起,科學界對中微子越來越感興趣。 地球上探測器感應到的、來自太陽的電子中微子,竟然是理論值的 1/3![1, 2]

你可能會說:這是因為對太陽內部的核子反應了解不足吧?科學假說的去留取決於它是否合乎實驗;如果有探測器把太陽可能釋放的中微子都抓住,那麼我們就可以利用測量結果修正理論吧!

這看法很合理,但時光飛逝到了八、九十年代,物理學家發現這是不可行的。不同設計的探測儀器,能夠感應到的中微子能量都不同。日本的神岡實驗 (Kamiokande experiment) 只能感應硼元素 (Boron) 衰變產生的高能中微子,而另一方面前人如 Raymond Davis (2002 年諾獎得獎者) 的探測器則比較敏感,高中低通殺。如果理論錯估了太陽內各核子反應的比例,那麼,透過合成幾個實驗的數據,應能作出修正。不過,在搬弄數據後,物理學家發現某些反應產生的中微子量竟然變成了負數! [2] 這當然是不可能的(何謂 -1 顆粒子?),而「中微子消失」的難題到 1998 年才有眉目。

1996 年 4 月 1 號啟動的超級神岡實驗,其探測器容量比前任者大 16 倍(見下圖),大大提升了探測詭秘中微子的機率。實驗的設計,讓研究團隊能夠分辨中微子來自那個方向。 [a] 經過兩年運作後,領導數據分析的梶田隆章 —— 也就是 15 年的得獎者 —— 宣布,來自大氣層的緲子中微子,竟也會不見踪影。

超級神崗探測器的內部,充滿時共有 5,000 公噸的純水 H2O。

超級神崗探測器的內部,充滿時共有 5,000 公噸的純水 H2O。

源自外太空的高能粒子碰撞大氣層後,最後會衰變為電子、緲子,以及相伴的中微子;緲子與電子的比例理應為 2:1。超級神岡發現的是,來自頭頂 15 公里高空的中微子,遵守 2:1 的比例;穿過幾千公里的地殼後抵達探測器的,比例卻是 1:1(見下圖)。緲子中微子閃到哪裡去呢?由於地球攔不住它們,而所有味道的中微子總數不變,實驗結果的唯一解釋,就是它們在途中變成了電子中微子![1, 2]

圖片改自資料 [1]

圖片改自資料 [1]

這一下子,「十三億人都震驚了」。這種現象,前所未見。

太陽中微子之謎,亦最後被加拿大的 SNO (Sudbury Neutrino Observatory) 解決。SNO 的探測器埋在地下兩公里,內含 1,000 公噸的重水。它能夠探測電子中微子,以及三種味道的總量 [a]。由於太陽只會產生電子中微子,透過比較它與總量,SNO 可以判斷電子中微子會否在途中轉換身份。經過兩、三年的運作後,Arthur McDonald ——也就是另一位得獎者——帶領的團隊在 2002 年發表論文,宣佈電子中微子原來也會「變身」,只不過需時比緲子中微子長得多。(因此,探測來自大氣層中微子的超級神岡實驗,沒有察覺到。)

知道又有蘭用?

粒子物理的基本模型 (Standard Model) ,是至今對微觀世界最準確的描述,其預測與實驗值合符至小數點後十幾位。基本模型提供了框架,讓物理學家整合不同的粒子和它們之間的交互作用,並從中推算出新粒子的性質。而基本模型預測的中微子質量,是零。

可是,根據量子力學的推論,中微子在不同「味道」之間振蕩的(時間上的)頻率,跟味道的質量差相關。 [b] 也就是說,至少兩味中微子有少許質量!

這質量從哪裡來呢?基本模型給予粒子質量的機制,被實驗驗證後成為了 2013 年諾貝爾物理學獎的內容,但它也無法解釋中微子的質量。在其他方面非常精準的理論,竟然被發現有漏洞,也難怪科學家會致力研究中微子。

總括來說,中微子是了解世界最基本構造的一條重要線索。兩千年來智者的追尋,也許會因為中微子而得到皆大歡喜的結局。太遙遠、太離地了?其實中微子還可以幫助防止核武器擴散。連結裡是 2008 年的報導,但筆者一年前在美國時,亦聽過參與相關研究的同學的介紹。中微子這如變色龍般的詭異粒子,最後或許會被馴服為科技產物。

[a] 關於探測器的運作原理,資料 [1], [2] 都有探討

[b] 篇幅所限,技術性內容就不在此討論。有興趣而懂得基本量子力學的人,請見參考資料[3](從院校登入應可免費下載)

引用資料:
[1] "The Nobel Prize in Physics 2015 - Popular Information". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 26 Jan 2016.
[2] Miller, Johanna L. “Physics Nobel Prize Honors the Discovery of Neutrino Flavor Oscillations.” Physics Today 68.12 (2015): 16–21. scitation.aip.org. Web.
[3] Waltham, Chris. “Teaching Neutrino Oscillations.” American Journal of Physics72.6 (2004): 742–752. scitation.aip.org. Web.

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