【時事焦點】2015諾貝爾物理獎:帶有質量的微中子

■2015諾貝爾物理學獎頒發給日本東京大學的梶田隆章(Takaaki Kajita)跟加拿大Queen’s University的Arthur B. McDonald,表彰他們發現了運動中的微中子會隨著時間及距離改變種類,也就是所謂的微中子震盪,進而推論出微中子帶有質量。

微中子可以自由在電子微中子,緲子微中子,濤微中子中自由變換 (credit: Nobel Prize)
微中子可以自由在電子微中子,緲子微中子,濤微中子中自由變換 (credit: Nobel Prize)

撰文|陳勁豪

微中子是粒子物理中的一種基本粒子,也是宇宙中含量第二多的基本粒子(最多的是光子)。但是微中子也是基本粒子中最難以捉摸的粒子。之所以難以捉摸,是因為微中子幾乎不跟其他粒子作用。舉例來說,在地球上,每秒鐘大約有六千億個太陽微中子通過一平方公分的面積,但是我們根本不會感覺到微中子對我們的任何影響。因此儘管數量龐大,但是科學家卻很難研究他們的性質。

微中子是物理學家Wolfgang Pauli在1930年為了解釋中子衰變成為質子跟電子的反應時的質量與能量守恆,所提出的一個假想的粒子。當時認為微中子為電中性,同時沒有質量。這個假想的微中子在1956年被實驗證實,從此成為基本粒子家族中的一員。

後來的研究發現,微中子一共有三種,分別是電子微中子,緲子微中子及濤微中子。這三種微中子儘管性質相似,但是被認為是各自獨立,沒有相互關聯。為了研究這三種微中子的性質,科學家世界各地建造了許多大型偵測器來偵測微中子。這次得獎的兩個實驗,超級神岡號(Super Kamiokonde)跟SNO (Sudbury Neutrino Observatory)基本上都是在地底深處的一個裝滿水的大礦坑,利用上千公尺深的地層來隔絕宇宙射線,僅留下微中子可以在以礦坑構成的大水槽中反應而讓科學家偵測到微中子訊號。

1998年,日本的超級神岡號(Super Kamiokande)發表了對大氣中緲子微中子數量的研究結果。超級神岡號裝滿了五萬噸的水,利用佈滿實驗水槽周圍的光電倍增管來分辨電子微中子跟緲子微中子反應後所產生的電子與緲子,進而可以測量出電子微中子跟緲子微中子的數量。穿過超級神岡號的緲子微中子可以大致分為兩個方向過來,其一是由地層上方直接進入偵測器,其二是由地球的的另一方穿越地心,由偵測器的下方進入。比對兩個方向進來的微中子,他們發現穿越地球的緲子微中子比從偵測器上方進來的緲子微中子數量要少,顯示有些緲子微中子失蹤了。

而加拿大的SNO實驗則是偵測由太陽發出的太陽微中子。基本上太陽只會發射出電子微中子。SNO實驗仔細測量了由太陽發射過來的太陽微中子的數量,並測量了電子微中子的數量。他們發現太陽微中子的數量跟預期相符,但是電子微中子的數量低於預期。如果電子微中子的數量比預期少,但是微中子的總數不變,那麼最有可能的解釋便是微中子轉變成另外兩種不同種類的微中子:緲子微中子及濤微中子。

由這兩個實驗,物理學家發現微中子的確隨著時間或是運動距離,而由其中一種轉變成另外兩種。這個現象稱為微中子震盪。由量子力學的推論,如果微中子可以自由轉變類型,那麼微中子必須擁有質量。這個結果震撼了物理學界,因為微中子一直被認為是沒有質量的粒子。現在實驗結果表示,儘管微中子質量相當小,但是微中子的確擁有質量。

這個結果點起了物理學界對微中子實驗的熱情。目前的實驗可以測量不同微中子間的質量差異,但是微中子依舊有著相當多的課題有待解決。其中一個相當重要的問題是我們有沒有辦法測量微中子的絕對質量。儘管微中子的質量相當小,但是由於微中子在宇宙中有著相當龐大的數量,因此微中子的質量會直接影響到我們對宇宙的理解。

究竟微中子還可以帶給我們多少未知的驚喜,且讓我們拭目以待。

參考資料
2015/10/06 Nobel Prize Press Release
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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