微中子的義大利追蹤

微中子的義大利追蹤
知識通訊評論第45期

自一九三○年學者假設有微中子存在以後，微中子一直是難以捉摸的粒子。最近義大利開始一個新實驗，希望進一步揭開這個粒子的奧秘。

一道微中子束終於從瑞士射向七百三十公里之外、義大利中部的一個實驗室。學者希望這個在二十五年前就開始醞釀的計畫，能解答粒子物理學的大哉問。不過，這也許還要有新一代的微中子實驗接棒，才能克盡全功。

這個最近啟動的微中子研究計畫，是靠近日內瓦的歐洲粒子物理研究中心（CERN）粒子物理實驗室與義大利國家核子物理研究所（INFN）位在阿布佐（Abruzzo）地底一千四百公尺的巨石峰國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）的合作成果。

CERN的加速器產生大量微中子（不帶電的基本粒子），再把它們射向義大利的實驗室。微中子幾乎不與物質互動，因此它們在地底會沿直線前進，穿越岩層，直到撞擊OPERA為止。OPERA是一個由乳膠薄膜與鉛板組成、重達一千八百公噸的探測器，它能夠擋住許多微中子。

學者將微中子分成三類（或三種「味」），包括緲子（muon）、淘微中子（tau）與電子微中子。一九六○年代晚期，學者發現，來自太空的微中子會改變味道，或者說運動過程中會「振盪」。這個現象令人吃驚。自從一九三○年學者假設有微中子存在，一般都認為微中子沒有質量。但依照量子力學的規範，物體有質量（就算質量極小），才會發生振盪。

如果微中子確實具有質量，修改當今粒子物理的標準模型，使其更符合現實，便能讓物理學家有機會得到關於基本作用力的統一理論。具有質量的微中子也能多多少少解釋為何宇宙中可見物質只佔了全宇宙總質量的微小部分。

解決這個問題的方法之一，是產生微中子，並將它們射往遠處的探測器。比較微中子束在發射起點與末端探測器的異同，即可瞭解微中子在傳送過程中是否發生振盪。

開創此類實驗之先河者，當屬日本K2K計畫。一九九九年到二○○四年，學者發現緲子（這是最容易研究的一種微中子）在發射源頭與終點之間會減少。另一個類似但是更先進的MINOS研究計畫，於二○○五年在美國芝加哥費米實驗室與明尼蘇達州蘇丹（Soudan）進行。不到一年的工夫，MINOS就蒐集到三倍於K2K的證據，證實緲子確實會在傳送過程中消失。

第三個、也是最具企圖心的實驗是OPERA計畫。它不僅能測量緲子的消失，還能測量淘微中子的產生。義大利國家核子物理研究所所長佩托恩佐（Roberto Petronzio）說：「其他實驗只能探測微中子是否消失，而且假設這些消失的微中子是改變了『味』，但是我們的實驗第一次測量到是否有新的微中子產生。」

明年，一個以液態氬（ liquid argon）為基礎、敏銳度更高的探測器ICARUS將加入OPERA計畫。學者希望這兩個實驗能夠提供緲子、淘微中子之間振盪的鐵證，並測量出淘微中子的質量。

雖然學界大都接受振盪模式，但是仍有許多難題懸而未決。首先，學者還無法確定這三種味道的微中子之相對質量。其次，學者想知道有沒有第四種微中子。這種微中子與物質完全沒有交互作用。雖然我們不能直接觀測這種微中子，但是彙整各種實驗結果，也許能推斷它是否存在。

廣受歡迎

對於義大利物理學界，第一個微中子束的到來，圓了他們長久以來未能實現的夢想。佩托恩佐回憶一九八○年代早期，當時的義大利國家核子物理研究所所長就為義大利國會議員繪製了一張義大利與瑞士的草圖，其中有一條線，連接了CERN與義大利巨石峰國家實驗室。興建該實驗室的建築時，其中的所有房間都面朝CERN的方向。

微中子束研究在一九九○年代晚期進入正軌，可惜經費不足使計畫推展速度緩慢。CERN原先打算與義大利國家核子物理研究所合資做實驗，但CERN首席科研長英格倫（ Jos Engelen）表示，到了二○○二年，CERN決定停止直接參與這項計畫。如今，CERN只負責提供實驗所需的粒子。這也是CERN一直樂於擔任的角色。

OPERA計畫雖已正式啟動，但它很可能會夾在新、舊兩代微中子實驗之間。再過幾年，美國的NOνA計畫與日本T2K計畫，將開始尋找第三種微中子：電子微中子。T2K計畫成員之一、英國華威大學（University of Warwick）物理學者巴爾克（Gary Barker）說：「這是整個知識拼圖中失落的那一塊。OPERA實驗極有價值，它將直接證明MINOS計畫已經間接證明的事實。」

CERN的英格倫說，他相信義大利巨石峰實驗室的計畫能產生珍貴的研究結果，但是他也承認，CERN不一定會長期支援這個計畫，「未來五年內，CERN都會提供微中子束，之後將再參考OPERA等研究的成果，簽署新的合約。」他說：「微中子物理研究應該不是我們未來發展的重心。」

[註]  更多資訊及內容請參考知識通訊評論第45期