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把太魯閣搬到南極?─從宇宙微中子的特異事件談起
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。
 
 
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)。
 
講演綱要(審校|孫維新)
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!
 
 
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微中子(15)
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