南極洲是進行宇宙學觀測最具吸引力的地方之一。拜其純淨、乾燥的環境之賜，天文學家已在此建造光學、無線電波、微波等各式望遠鏡來窺探宇宙。另一方面，我想在這次演講介紹其中最特別的一種—用南極冰層打造的微中子望遠鏡! 微中子可說是天文物理研究最理想的觀測媒介—由於它極其微小又不帶電荷，因此可以從天體來到地球的一路上不與星際物質起反應亦不受偏折。但微中子觀測的缺點在於偵測困難，尤其是能量超過1018 eV(電子伏特)的極高能宇宙微中子，數量不僅稀少且偵測效率低。 為了克服觀測上的缺點，物理學家利用南極的冰層建造了世界最大的微中子望遠鏡「冰立方(Icecube)」。而我們台灣大學的團隊正著手在南極洲打造更下一代的望遠鏡，藉由偵測微中子在冰層中與物質碰撞後產生的無線電波脈衝，來大幅提高探測微中子的能力。在演講中，我會介紹我們團隊參與的幾個偵測電波的微中子望遠鏡計畫如ANITA、ARA、ARIANNA，並介紹我們的新實驗計畫：TAROGE(太魯閣)。

 

南教授以「把太魯閣搬到南極？─從宇宙微中子的特異事件談起」為題，講述南向漂移的酷物理。天文學家在南極洲佈下天羅地網，無畏挑戰嚴苛環境，推動實驗創舉，將可能見「微」知著，獲取非常「南」得的微中子探測機會與成果，讓TAROGE計畫跨洋豎立里程碑，斐聲於國際！

講座一開始時，南教授提及兩個關鍵字：南極洲（Antarctica）和極高能微中子（Ultra-High Energy“Neutrinos”)。南極究竟有多冷？佇立外頭30分鐘後就看得見大範圍結霜。南教授也播出一段他拍攝的（風速每秒20公尺）錄影，強風不停帶動白藹藹的雪，可明顯感受到極具侵略性的環境。南教授笑說，如果你是個學生，喜歡科學，但是不喜歡臺北的天氣，就會是他們研究團隊要徵才的對象！他也以自己的姓氏作文章，很風趣的介紹自己的夢想：我以前的夢想是到南極，因為我姓「南」，然後就找到了這樣的工作，但等他真正到了南極之後，卻大失所望，找不到「南」，因為所有方向都向「北」！讓全場哈哈大笑。

無法用傳統天文望遠鏡看見的微中子，究竟是甚麼角色？南教授解釋，微中子是基本粒子之一，我們都知道原子核有質子、電子，和中子，而它們又都是由夸克構成，其中的微中子不帶電荷、質量小（曾經被認為不具質量，直到最近才確認微中子有非常小的質量），被認為是最微小的粒子。微中子就如同小魚能在漁網中穿入穿出，它能夠穿透物質，因此會穿過望遠鏡，穿過人體，也能穿過整個地球！

為什麼要觀測微中子？南教授說跨年時自己也喜歡看煙火，在經過一番倒數後，美麗的煙火在天空中炸開，但很快的煙霧也蓋住了一切。把這樣的現象類比到宇宙裡，當我們被星際物質擋住時，會減少很多可以觀測到的對象與現象，不過微中子卻不會有擋住的問題，它不會被行進路上的物質吸收或散射，也因不帶電荷而不會受到磁場影響而偏折，所以可以直溯來源！就像是用X光檢查人體內部，天文物理學家用微中子透視高密度環境，例如太陽的內部影像。雖然目前的微中子觀測尚未成熟，不過更多的實際應用仍舊指日可待。

要怎麼偵測微中子？南教授表示非常簡單，我們只要準備透明的介質（水、冰等），然後等待微中子的到來，它有非常小的機率能和光感測器產生反應（光、聲、電波），不過因為這是非常低機率的事情，這樣一個單一事件的觀測可能需要十兆年才會發生。為了縮短觀測時間，於是需要增加介質的體積，這也是為什麼科學家選擇了南極作為觀測地點：我們需要大量且純淨的水！科學家準備了大量的感測器，只要微中子穿過冰體就能偵測方向和數量。不過縱使實驗設計就緒，另一件挑戰也等著他們，要長征南極，且面對漫長的惡劣天氣與環境，但他們依舊願意不辭辛勞遠赴，為什麼？南教授微笑答道：就是為了科學！

 他們在南極建造微中子望遠鏡：在「冰立方」（Ice Cube）望遠鏡計畫中，科學家用熱水鑽出深達3公里的洞（將近臺北101樓高的6倍），然後置入感測器，一共80多個鑽孔，內有上千個感測器，整個計畫已執行長達15年，後來「冰立方」望遠鏡終於發現了微中子事件，但還是未能清楚地辨識來源，因此需要更多的微中子事件。南教授繼續問，可以建造更大的微中子望遠鏡嗎？或是需要新的辦法來獲得？他以「受困的企鵝」一圖舉例：當我們被困在冰裡，要向朋友求救時，我們可以利用警示燈（光）、叫喊（聲音），或者是無線電波，來引起朋友的注意，但三者中無線電波是最好的方法，因為它可以傳遞到更遠的距離。

 以無線電波偵測微中子是個好的選擇，但我們必須要先確認微中子會產生無線電波！南教授在研究上的合作者，依據阿斯卡萊恩效應（Askaryan effect），在美國SLAC加速器測試，確認了可以利用電波來觀測。他們於是利用NASA高空氣球帶著天線陣列升空，將廣大的南極冰層視作巨大的微中子標靶，來找尋高能微中子事件，這就是「ANITA實驗」（南極脈衝瞬態天線，高空熱氣球微中子望遠鏡）的概念，開啟了新的宇宙射線探測方法。

參與ANITA實驗後，南教授提出了新的疑問：我們可以在臺灣建造類似的「微中子望遠鏡」嗎？雖說我們沒有NASA的熱氣球，但我們有高山！雖然說我們沒有冰的表面，但我們有海的表面！於是TAROGE計畫（Taiwan Astro-particle Radio-wave Observatory for Geo-synchrotron Emissions）誕生了！南教授的團隊將天線陣列放在東海岸的高山上，面向海洋偵測「大氣簇射」（Air Shower）的訊號，其設計概念近似於ANITA實驗。

在ANITA實驗中，科學家們曾探測到兩個異乎尋常的信號。這兩顆高能粒子並不是從天而降，而是穿過整個地球後與冰層相撞，發出了脈衝信號，然而一般來說，只有低能粒子才有可能穿透地球，而高能粒子則無法穿過大氣層，更別說地球。這樣的結果和粒子物理標準模型相比，差上了100倍！全球科學家迫切地想要確認這些神秘現象是否真實。南教授於是決定返回南極，到南極洲墨爾本山（位於韓國研究站附近）進行研究。這是個非常良好的觀測地點，電波雜訊低，直升機也容易到達，在經過南韓「張保皐科學站」（Jangbogo Station）的同意後，他們很快就啟程了，並建造了自行研發的基礎觀測站。

在分析了背景監測數據後，雖然有偵測到脈衝訊號，但頻率只在100~200MHz間，較可能是雜訊。這個進行中計畫的目標是建造10座天線站，在5年內確認並驗證ANITA所發現的神秘事件。若是初步能成功，南教授希望能接續建造100座天線站來準確辨認微中子來源，而這將是非常重大的科學成就！在演講的最後，南教授介紹了他在研究旅途中所讀的書「人類大歷史」：西元1450年的地圖幾乎是由大陸構成，接著在1525年的地圖有了很多的更動，最主要的差別是出現了新大陸和大量的海洋，整個世界觀有了翻轉。

這讓南教授思考到在這兩張地圖之間，究竟有過多少人的親身探險，才產生了這些巨大的變化！這讓他聯想到科學家對宇宙的研究，我們曾經以為宇宙多由氫、氦，和普通物質構成，直到今天我們開始發現了暗物質和暗能量的存在，在這個進展中許多科學家付出了努力，也有非常多人失敗，但若沒有他們的努力，便不會有今日這些科學進展，而這是非常讓人感動的！