【會後報導】梶田隆章教授主講「大氣層微中子研究微中子震盪」

IMG_5260講者|東京大學宇宙射線研究所 梶田隆章教授
撰文|中央研究院 國際研究生學程 博士候選人 黃士炘/中央研究院 物理所暨化學所 副研究員 章為皓

2015年諾貝爾物理獎頒給日本東京大學的梶田隆章教授和加拿大的亞瑟·麥克唐納教授,以表彰他們所領導的實驗團隊鍥而不捨終於證明了微中子振蕩的重大貢獻。微中子振蕩的證實不但解決了大氣微中子失蹤的懸案,而且要求描寫微中子的理論必須賦予微中子質量,與統合電弱理論的標準模型有明顯出入,說明成功預測出上帝粒子存在的電弱理論,也未能完全掌握基本粒子的規律。因此微中子振蕩的證實為高能物理學重注活水,而意義非凡。梶田隆章教授104年12月22日應邀在臺灣大學物理系國際會議廳演講,從他個人的研究源起:神岡探測器和超級神岡探測器的開發過程,微中子振盪的獵取:從開始發現振盪指紋到完全說服物理接受的奮鬥過程,以及未來的展望做了深入淺出的介紹。

有趣的是科學的發展往往不是計畫好的按圖索驥,在這次演講中梶田教授提到,起初神岡感測器的設計是尋找質子衰變的證據,並非用來尋找微中子振蕩的證據。話說我們現今所處的自然界是由四大基本作用力撐起來的: 強力、弱力、電磁力與重力。1984年諾貝爾物理獎表揚了電弱作用理論,這個理論的精意是說原子核中的弱力的根源就像是量子世界下的電磁力一樣,是通過玻色子的交換而產生。傳遞電磁力的玻色子是光子,而傳遞弱力的玻色子是 W+、W- 和 Z0三個粒子,他們在高能量時行為與光子類似,可是在低能量的時候,其粒子行為會讓我們以為他們是不同類型的粒子。而大統一理論(Grand Unified Theories,GUTs)在電弱理論的基礎上,試著把電弱作用力與強作用力整合,大膽預言稱為X及Y的規玻色子的存在。在這個理論架構下,X及Y玻色子被要求直接與夸克和輕子相互作用,結果是重子數不再守恆(註:質子為重子,電子為輕子),而由夸克組成的質子並不如想像的穩定,很有可能會自發衰變成輕子,如反電子。這種轉變稱為「質子衰變 (Proton decay)」。 從前述大統一理論推算,一個夸克得到足夠能量以致衰變的機率是每 \ 10^{30} 年一次,這比宇宙從大霹靂以來的年齡 \ 10^{10} 年要長得多。因此,人們認為不太可能從實驗中偵測到由夸克所構成的質子的自發衰變的事件。但是,我們可以藉由觀察 \ 10^{31} 個質子一年中是否出現一次衰變,來探討質子的穩定性。70年代末期,有四個尋找質子衰變的巨型實驗被提出來,一是小柴昌俊領導的日本神岡感測器實驗,一個是Raymond Davis Jr.領導的美國IMB(Irvine–Michigan–Brookhaven)探測器,以及法國和義大利的兩個實驗探測器,FREJUS和NUSEX。與IMB不同的地方是,神岡感測器的規模較小,但其團隊利用與Hamamatsu公司合作的大型光電倍增管提升靈敏度。 神岡實驗的探測器是一個高16米,直徑15.5米,容量三千噸,內含一千個五十公分孔徑的光電倍增管的水槽,為了抑制因宇宙射線引起而產生的背景值,水槽是設置在岐阜縣飛驒市神岡町一千公尺深的廢棄砷礦中,由於宇宙射線在過程中被岩石吸收,背景訊號降低了10萬倍。神岡探測器1982年開始建設,1983年建成。而1988年的神岡實驗沒有找到質子衰變,確定質子的壽命大於 \ 10^{33} 年。但是神岡實驗室的超大水槽所擁有超多的氫原子,恰是補獲作用截面超小的微中子之神噐(註一) 。

那麼微中子是什麼?上世紀初是近代物理大放異彩的年代,不但相對論被提出,還誕生了量子力學,其中提出不相容原理的包利(Wolfgang Ernst Pauli) ,在1930年代分析中子經由β衰變時變成質子和放射電子時,必須同時釋出一種中性粒子,才能使衰變反應不違反物理學能量守恆的鐵律。這種中性粒子後來被費米(Enrico Fermi)偵測到並正式命名為微中子(Neutrino)。現在我們了解到當時費米測到的微中子是伴隨電子而生,是所謂的電子微中子。隨著渺子和濤子等新一代輕子陸續被發現,與電子微中子( \ v_{e} )不同「味 (flavor) 」的微中子也呼之欲出:渺子微中子( \ v_{\mu } )、濤子微中子( \ v_{tau} )。上世紀50-70年代高能物理波瀾壯闊,1956年反電子微中子被發現,1962年找到渺子微中子,1989證實微中子只存在三個味。直到2000年,最後的成員-濤子微中子才證實被捕獲。

太陽是離我們星球核反應堆中距離我們最近的,因此是最好拿來檢測微中子存在的素材。1960年代晚期,美國南達科他州礦井中的Homestake實驗首次測量了太陽產生的微中子的流量,發現大約只有標準太陽模型(註二)計算出來的三分之一,但無人知道原因為何。針對太陽微中子的失蹤問題,曾任費米助手的猶太裔蘇聯物理學家 Bruno Pontecorvo 最先於1957年提出了一個相當瘋狂的猜測:當微中子在空間中傳播時,微中子帶有某個味的機率會呈現週期性變化,而從某一種微中子轉變為另一種微中子,是最初的「微中子振盪」學說 (註二)。梶田隆章教授在跟隨小柴昌俊尋找質子衰變的過程中發現了奇怪的現象。宇宙射線在地球大氣層中會產生 π 介子,再從 π 介子衰變產生渺子和渺子微中子,而渺子繼續衰變產生電子和電子微中子,根據反應過程(註三) ,我們知道渺子微中子( \ v_{\mu } )的產量應是電子微中子 \ v_{e} 的兩倍。然而,1988年梶田隆章教授當時採用以渺子微中子與電子微中子的比值來分析數據數據,發現一件怪事: 渺子微中子不足額。梶田之後試者找出這個奇怪的結果是否由分析軟體的錯誤造成,結果發現分析軟體沒有問題而確立渺子微中子數目真得有短缺,他稱之為「大氣微中子反常」。反常的結果卻讓梶田興奮,他在文章結論:「我們無法解釋這些結果是因為探測器的影響或是大氣中微中子流的反常,不過也許尚未被證實的微中子震盪可以解釋此現象。」驚人之語引來物理同儕的不信與嘲諷,文章好不容易刊在Physics Letters B上(註五)。 所幸,同樣的測量結果也在美國IMB實驗看到了,但FREJUS和NUSEX卻沒有。因此這現象是不是微中子振蕩產生,當時並沒有定論。

1987年,一場超新星爆炸,開啟了粒子天文物理的大門。銀河系中距離地球16.8萬光年的大麥哲倫雲內有一顆恒星走到了生命的終點,也就是SN1987A超新星爆發,是400年來觀測到的最明亮的超新星。神岡實驗觀測到了11個它發出的微中子,IMB觀測到了8個。一般相信,超新星爆發需要微中子來驅動。因此,這兩個實驗站捕獲的訊號,雖不足以證明詳細的機制,但證實了超新星爆發確實會產生微中子。梶田教授的恩師,是神岡感測器的領導人小柴昌俊因「開啟天文物理學先河,觀測到來自宇宙的中微子」與Raymond Davis Jr.共享了2002年一半的諾貝爾物理獎。神岡感測器的成功也透露著如果需要更強更多的訊號,實驗儀器必須要升級。因為1987超新星爆發的成果,日本政府同意改進神岡探測器的靈敏度。超級神岡探測器於1991年開始建造,1996年完成。實驗原理完全一樣,但圓柱形容器擴增為高41米、直徑39米,更用了5萬噸純淨水,光電倍增管也增加為13000個。超級神岡探測器與前代相比,實際數據量增加了不止20倍。不僅能夠測量渺子微中子的丟失,也有足夠的數據顯示它的丟失比例隨飛行距離的變化,進而將這些微中子振盪的關鍵量化。由於微中子本身不能被探測,也不會留下任何信號,但它偶爾會與水中的原子核發生反應而留下蹤跡。反應產物中最有特徵的是電子和渺子。電子微中子會產生電子,渺子微中子會產生渺子。高能帶電粒子在水中飛行,速度超過水中的光速時,會如同超音速噴射機在海平面移動會產生「音爆」現象一樣的「契忍可夫光」,而被光電倍增管探測到。在水中,契忍可夫光發射的角度與粒子前進方向呈現一個夾角,因此一個粒子會在其前進方向上形成一個光環。較重的渺子形成邊緣清晰的環,較輕的電子受周圍電子的散射,形成邊緣散亂的環,這樣我們就能從圖譜區分出是電子微中子抑或渺子微中子。

1994年,梶田教授與其大師兄戶塚洋二教授的團隊著手研究微中子訊號對天頂角(Zenith angle)的相依性,在1998年發現渺子微中子與電子微中子的比值與微中子在地球內部移動距離有關,是微中子振盪的指紋。簡單的說,他們將觀測到的大氣微中子打在偵測器上的訊號分成四類。全部包含事件(Fully contained, FC)為所有路徑事件皆包含在內層探測器內部的訊號,部分包含事件(partially contained, PC)則是有路徑從內層探測器中漏出的訊號;渺子向上貫通事件(Upward through-going muons, UTM)為產生於探測器底部岩層,並向上貫穿探測器的渺子訊號;渺子向上停止事件(Upward stopping muons, USM)為產生於探測器底部的岩層,但其路徑停止於內層探測器內部的渺子訊號。配合天頂角校正後,過濾出電子微中子或渺子微中子在上行事件(Upper going events)與下型事件(Down going events)的比值約為0.93和0.54,其結果顯示電子微中子因上下行數量改變極少,但渺子微中子上行(飛行距離較遠)的數量卻只有下行(飛行距離較近)的一半。不但如此,梶田-戶塚團隊進一步分析上下行訊號濤子微中子的比例,以了解是否渺子微中子會因微中子震盪而轉變成濤子微中子,結果是正面的。這個結果說明微中子在從宇宙移動到地球的過程中會發生「味」的轉換,即「微中子振盪」的產生有了實際的數據。這個顛覆以往物理學基礎模型的發現,讓師兄第二人被世界公認為角逐諾貝爾物理獎的熱門人選。可惜的是2008年戶塚教授因為大腸癌過世,無法與梶田教授共享諾貝爾桂冠。

經過了時代的演進,超級神岡探測器的靈敏度也越之提升。 1998年上行事件的發現數是139件,而在2015年已經增加至5485件。事件的增加,更確立了之前1998天頂角角相依之不對稱微中子振盪指紋。而之前無法測量的參數,如今可精確量得,像是微中子味與味的混成參數可能被定下來,令人訝異的是微中子味與味的混成與不同色的夸克之間的混成可能沒有對應關係。

演講過程中台大物理系熊怡教授提到超級神岡探測器在2001年發生了一件讓人印象深刻的事 - 一個光電倍增管在維修過程中爆炸了。由於光電倍增管是電真空零件,真空破壞後而形成連鎖反應的震波(shockwave),導致相鄰的6600多個光電倍增管相繼爆裂。但隨即在戶塚教授的堅持下,以重新排列剩下的一半光電倍增管繼續運行超級神岡探測器,不讓實驗中斷。同時也啟動了超級神岡II的建構,並在2006年完成。此外,超級神岡是世界首個整合同步輻射加速器測量渺子微中子轉變為濤子微中子震盪實驗(KEK to Kamioka, K2K)的探測器,升級後的超級神岡IV也是首個從渺子微中子束中看到電子微中子出現的探測器(Tokai to Kamioka ,T2K)。描述三種中微子的振盪需要六個參數。太陽中微子與大氣中微子實驗測出了其中的四個。剩下兩個未知參數,一個是混合角 \ \theta _{13} ,一個是CP破壞相角,它們不僅是自然界最基本的參數,也與宇宙起源中的反物質消失之謎有關,導致正反物質的行為不對稱。然而是不是微中子振蕩導致了反物質的消失,或許可以透過計畫中的百萬噸級超大尺度探測器加以觀察,包括超級神岡的升級版- Hyper-Kamiokande。梶田教授在訪談中提到,他自認樂觀的天性和幸運的際遇促成了他在基礎物理研究的發現。其實梶田教授的成功對年輕人的啟示是能夠持續在微中子研究貢獻超過二十年靠的就是熱情。

註解:
註一: 質子捕捉微中子而產生中子及正電子,正電子可由高速電荷在水中飛行中所產生之契忍可夫輻射而被偵測到。
註二: Pontecorvo於1993 年 9 月 24 日逝世
註三: 太陽標準模型為Hans Bethe提出,請參考
註四: 林貴林,微中子物理簡介,物理雙月刊(廿四卷四期)2002 年 8 月。
註五: K. Hirata et al, Phys.Lett.B 205 (1988) 416

延伸閱讀:梶田隆章教授主講「重力波偵測-The KAGRA Project」

 

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