2014年10月26日 星期日

DDS054-「微中子(I)」

本文的目的是給讀者介紹有關「微中子(neutrinos)」研究的最新發展。所謂的「微中子」,指的是一種經由「貝他衰變(beta decay)」,所形成的基本粒子,也就是核反應(nuclear reaction;例如核反應爐、太陽,甚至宇宙「大爆炸」)後的一種產物,但它不同於一般核反應後形成的輻射(radiation),而是以粒子(particle)的形態存在。如同其他許多理論物理學上的重大發現,都是先由理論演繹其存在,然後才由實驗予以證實(例如前文的「黑洞」以及「引力波」,甚至後文將介紹的「引力透鏡」),「微中子」的發現當然也不例外。雖然早在 1930 年代,理論物理學家就預期它的存在,但遲至 1953 年時才被具體偵測到,其間過程也充滿曲折,略述於下:

首先,我們知道,一個「中子(neutron)」經「貝他衰變」後,就能形成一個「質子(proton)」和一個「電子(electron)」。依據「能量守恆定律(the law of conservation of energy;即熱力學第一定律)」,自然界中任何反應,在「密閉系統(close system)」中,其反應前和反應後的總動能(momentum and energy)應維持不變(即相同),但當科學家們實際測量「貝他衰變」前後總動能時,卻發現衰變後的總動能較衰變前為少,似乎有些動能在「貝他衰變」過程中消逝了。

就在科學家們為此現象困惑不解時,已故著名物理學家 Wolfgang Pauli1900-1958) 提出一個當時(1930 年)連他自己也沒有把握的猜想,那就是:「貝他衰變」後的產物,除了當時已知的「質子」和「電子」外,一定還有另外一個粒子被釋射出來,帶走了那缺失的動能,只是以當時儀器的能奈,還無法偵測得到。〔註一:事實上,即使以今天的科技,要偵測到這「微中子」仍是非常困難的,主要是因為它不荷電、幾乎不具質量、以光速行進,而且又不和其他物質產生任何反應;註二:「微中子」的平均質量為 3.7 eV,不到電子質量(約511,000 eV)的十三萬分之一。〕

下圖(from http://andthejoyofdiscovery.wordpress.com/tag/neutrino/)右上角即是 Pauli 的檔案照片,而圖中右下方的黒㸃,即是 Pauli 所猜測,「中子」經「貝他衰變」後,形成「質子」和「電子」時,所釋射出來的「另外一個粒子」。事隔三年後(1933 年),另一位已故的著名物理學家 Enrico Fermi1901-1954),才替此看不見的粒子正名為「微中子」。這「微中子」名稱,在意大利文的原義上,即是「中性的小傢伙(the little neutral one)」的意思,後來有同事和 Pauli 開玩笑,把它改為「不存在的中性小傢伙(the little neutral one who isn’t there)」,言下之意即是對此「微中子」的是否真正存在,充滿著質疑。


儘管如此,最終藉由其他理論和實驗的證實(見下文),「微中子」不但存在,而且還是形成宇宙各種物質的三種主要基本粒子(參見前文 DDS003-2013 年的 Pi Day」的説明)。另外,依其旋轉方式的不同,這些「微中子」可概分為三種: electron neutrinoe)、 muon neutrino(μ) 和 tau neutrino(τ)(見下圖左下方的三個藍色格子:from http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/09/18/the-little-bit-of-dark-matter-we-know/)。〔註一:為表彰他們兩人對「微中子」的發現和後繼的相關研究,Pauli Fermi 最終分別獲頒了 1945 1938 年的諾貝爾物理學獎。註二:證實「tau neutrino(τ)」存在的 Martin Perl1927-20141995 年諾貝爾物理學獎得主)不幸於上個月(9 30 日)逝世,享年 87 歲。〕


至此,就任何一個重大的科學發現而言,既然有了理論上的支撐,也有了正式命名,接下來當然就是看能否真正偵測到它的存在了。首先,當屬 Clyde Cowan Frederick Reines 兩位物理學家,藉由位在美國南卡羅萊那州(South Carolina, USA),剛新建完工的 Savannah River 核能發電廠,其反應爐的核衰變過程,偵測證實了此「微中子」的確切存在。這項重大的成果,給研究「微中子」的科學家們,帶來了莫大的鼓舞,也進一步帶動了後繼「微中子」的各種相關研究。其中之一即是,探索來自宇宙其他恆星的「微中子」,因為它們也可視同一自然界的超巨大核反應爐,也應同樣地能釋射出來更多的「微中子」。對這些來自宇宙天際的「微中子」,在天文物理學上統稱為 cosmic neutrinos,以有別於來自鄰近太陽或地球上的各種核衰變產生的「微中子」。

果不其然,歷經了近三十年的尋尋覓覓,到了 1960 年代,科學家們在加拿大安大略省礦區(Sudbury, Ontario, Canada),一名為 「Sudbury」的微中子觀測站(Sudbury Neutrino Observatory;簡稱 SNO),首次具體偵測到來自太陽的「微中子」。該觀測站建在地下約兩公里深的礦坑中,偵測器的標靶(target)為一直徑 12 公尺的壓克力圓球(見下圖;from http://www.businessinsider.com/what-is-a-neutrino-2013-12),內中充填了 1000 噸的重水(D2O),其外層又注滿了一般的水(H2O),用來遮阻外來的輻射,在其外圍(直徑約 17 公尺)則裝置了約 9600 個「光倍管(photomultiplier tubesPMTs)」,用來偵測「微中子」撞擊重水分子的原子核時,所釋射出來光(即「契倫柯夫輻射(Cherenkov radiation)」的通量。另外,Raymond Davis 在美國南達科塔州(South Dakota)的一地下金礦區,也同樣證實偵測到了來自太陽「微中子」的存在。〔註:目前世界上所有有關「微中子」的觀測站,都是深埋在地下至少一公里之處,主要是為了避免,其他如核電廠的反應爐或宇宙射缐來源之干擾。〕(待續)



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