DDS055-「微中子（II）」

（承前文）一直到了 1987 年，科學家們更是利用分別位在日本和美國的觀測站，偵測到了離我們更遠，來自我們鄰近銀河系（the Large Magellanic Cloud）中，其一超級新星（supernova）爆發後的「微中子」。至此，歷經了幾乎半個世紀的探索和研究，科學家不但確認了「微中子」的存在，更相信它們漫佈在整個宇宙之中，而且從「大爆炸」初始之時既已存在，最新的觀測和研究，甚至認為它們可能還是「暗物質（dark matter）」的主要成分之一。也就是因為這些觀測成果，益加增添了天文物理學家們，探索來自宇宙星際更遠方「微中子」的信念，以及興建更大型「微中子」觀測站的迫切需求。

又歷經了約20 年，直到本世紀初（2003 年），以美國為首的科學團隊，才開始在南極建造一名為「IceCube」的微中子觀測站（見下圖；credit：Sven Lidstrom, Icecube/NSF）。該測站耗資 2 億 7 千萬美元，歷經七年於 2010 年完工，可說是世上最奇特的實驗室，因為它建在一立方公里的南極冰中，而且不同於一般天文望遠鏡，以觀測來自不同波長的光子（含無線電波、可見光、X光和珈瑪射線）為主，「IceCube」則是用來偵測宇宙中的「微中子」為主。就此而言，要注意的是「微中子」和「光子」最大的不同在於，「光子」行進時會被物體摭擋（如日常所見的陰影），但「微中子」卻能自由穿梭過任何物體，這也就是為什麼，在深達一公里以上的冰中，仍能偵測到它們的存在。其次，雖然每秒有上兆個「微中子」穿梭過 IceCube，但能撞擊到冰中水分子原子核的機率卻幾乎是零，目前 IceCube 的光學感應器，每天大約只能偵測到 30 次的撞擊。

該計畫的主持人，為目前任教於美國威斯康辛大學麥迪遜校區（University of Wisconsin-Madison）物理系的講座教授 Francis Halzen。該項計畫總共集結了來自世界各國，人數超過數百人的龐大團隊，他親自領導負責該觀測站的建置，其間歷經各項挑戰，包括（1）理論上須先確定冰的光學性質（因之前對此的認知容或有誤）以及（2）由於在南極冰原上，每年只有夏季短短三個月的施工期，因此實務上如何能在最短時間內（前後共花了 4 年的時間），在南極冰原上完成所有 86 個直徑 60 公分，深度達 2.5 公里的鑽井工作（見下圖；credit and source from NSF：http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=32364 ）。〔註：有關其人的生平軼事，和他向美國國家科學基金委員會（NSF），爭取此 IceCube 計畫之始末，請參見後文「DDS058-「哈爾遜」和「格斯」博士（I）」的進一步說明。〕

在這些井洞中，垂直吊掛著總數為 5,160 個的光學偵測器（digital optical modules；每一個井洞懸掛 60 個，總共 86 x 60 = 5160 個），其目的主要是用來偵測，這些來自我們太陽系外的「微中子」，當它們撞擊到冰中水分子的原子核時，所釋放出來的藍色閃光（即「契倫柯夫輻射（Cherenkov radiation）」）。下圖（from :http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2013/11/-evidence-of-neutrinos-discovered-at-antarctica-observatory-the-ghosts-of-the-universe.html）右邊即是這些來自太陽系之外的「微中子」，穿梭進入 IceCube 的示意圖，而圖中左上方所示即是懸吊在每一井洞中的光學偵測器，左下方則是當「微中子」撞擊到冰原子核時，閃射出來的「契倫柯夫輻射」。由於 IceCube 的偵測方式，不同於一般傳統式的天文望遠鏡觀測（「粒子」 vs.「光」），而是以一立方公里的天然冰，做為這些高能量「微中子」的偵測器，也因而開啟了「微中子天文學「Neutrino Astronomy」，這個嶄新天文研究領域的新紀元。

另外要注意的是，上圖左下方的顏色由紅到綠，代表的是那些photomultipliers 記錄到，冰原子核受「微中子」撞擊後，依序所激發岀來的輻射光，也就是說，該圖顕示的是「微中子」從左下方（紅色）進入後，再向右上方（綠色）的方向穿梭而過，藉由此行進方向的軌跡，科學家們即可判斷這些「微中子」來自的方向。這種行進方向的研判（目前可精準到一度），對科學家來説，堪稱「彌足珍貴」，因為對來自太陽系外「宇宙射線（cosmic ray）」的確切來源位置，迄今仍是天文物理學上未解之謎，主要是因為這些「宇宙射線」負有電荷，所以在其行進途中，若遇上磁場，其行進路徑會受該磁場磁力的影響而產生偏離，使得在地球上的觀測，並無法確知它們來自的方向，但與其共生的「微中子」，因不荷電，不受磁力之影響，故可用來回溯其來自的方向，進而揭示了「宇宙射線（cosmic ray）」來源之謎，這也就是 IceCube 的建置完工和觀測結果，對天文物理學上最大的貢獻和突破，也難怪該項成就，被評為2013 年的最重要科學發現之一。

最後，必須予以補充説明的是，「微中子」的發現和存在，固然是粒子物理學上的重大成就，但也對「標準模型（Standard Model）」，帶來了另一嚴峻的考驗。因為在「標準模型」的理論中，「微中子」只有三種而且它們均不具任何質量，但後者卻違反了所有針對「微中子」質量的測量結果，也就是說，它們還是具有質量的，只是非常非常的小（見上文 DDS054-「微中子（I）」之說明）。要能替這個難題解套，而且能讓「大爆炸」理論符合迄今的所有實際觀測結果，科學家們提出一個理論上的「無性微中子（sterile neutrino）」，由於它也如同其他三個已知的「微中子」一樣，不和其他任何粒子反應，故稱之為「無性微中子」，而且由於它看不到，被視為一種「暗粒子（dark particle）」，或被稱為「暗輻射（dark radiation）」。（全文完）

參考文獻：
1. M. Lemoine, “Acceleration and Propagation of Ultrahigh Energy Cosmic Rays,” J. Phys. Conf. Ser. 409, 012007 (2013).

2. M. G. Aartsen and et al. (IceCube Collaboration), “First Observation of PeV-Energy

Neutrinos with IceCube,” Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013).

3. M. G. Aartsen and et al. (IceCube Collaboration), “Evidence for High-Energy

Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science 342, 6161 (2013).

4. M. G. Aartsen et al. ((IceCube Collaboration)), “Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data,” Phys. Rev. Lett. 113, 101101 (2014).