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從極小粒子看極大宇宙-談大亞灣微中子實驗
 
 
虛無縹緲的微中子(Neutrino),在宇宙大爆炸之後就流竄於宇宙間,全然不受電磁引力的影響,僅有弱作用力及萬有引力有機會與其發生作用。大多數時間能不受阻礙地穿透物質,包含人體、建築物或者地球。捕捉微中子對物理學家來說是一項艱鉅的挑戰,這激發了大亞灣實驗團隊的好奇心,並且於2006年起著手設計與推動實驗。

大亞灣微中子振盪實驗於2012年春,首次發現微中子新的一種振盪模式:量測微中子於運行過程中轉換為另類微中子的機率。此項研究結果開啟通往物理新知的大門,未來可望能進一步解釋宇宙中物質與反物質不對稱的奧秘。

今(2015)年的諾貝爾物理獎肯定了當代科學家對微中子研究的貢獻!但到底什麼是微中子?12月18日晚間的第七場秋季展望演講,是由臺灣大學物理學系熊怡特聘教授擔綱,熊教授以「從極小粒子看極大宇宙─談大亞灣微中子實驗」為題,不僅深入淺出地讓大家認識微中子的奧秘,更暢談了大亞灣研究的經驗與成果,讓大家感受到物理世界的玄妙與豐富!

自宇宙大爆炸之後,早期產生的微中子就竄流在宇宙之中,微中子不僅可在超新星的爆炸中大量產生,鄰近的太陽核心每秒就可放出2 x 1038個微中子,這些四面八方高速射出的粒子,在抵達地球後,每秒每平方公分還能接收到約400億個微中子!微中子對我們來說,是無所不在,但卻因為微中子不帶電,質量也非常小,幾乎鮮少跟其他物質作用,僅有弱作用力和萬有引力有可能讓它現身,所以對科學家而言,就像尋找宇宙「隱身人」一樣,也像是以魚網撈水,縱使水就在面前,想撈起也是一項極艱鉅的挑戰。

在捕捉虛無缥緲的微中子之前,如何知道微中子有幾種?熊教授指出,早在90年代瑞士日內瓦電子與正電子對撞機所作的實驗,即可由Z玻色子的頻寬量測而得到可能結果。因Z玻色子為中性,衰變符合費米子與反費米子成對機制,因此掃描出了相當直接的進階證據,也知道了微中子分為三種,包含電子微中子(νe)、緲微中子(νμ),以及濤微中子(ντ)。

熊教授也介紹了加拿大SNO實驗室偵測太陽微中子的重水實驗成果,在對比日本超神岡實驗(Super Kamiokande)大氣層電子微中子、渺子微中子的測量數據後,可以看見微中子從太陽出來後的「變性(變臉)」現象,即從微中子總合中發現,只有三分之一的數量是以電子微中子的形態存在。而日本的梶田隆章教授在1998年,就藉由蒐集宇宙射線與地球大氣層反應過後所產生的微中子,發現當大氣層的微中子進入日本的超級神岡探測器的過程中,會經過味(flavor)的轉換,目前科學家普遍接受的模型是:移動中的電子微中子(e)會轉變成渺子微中子(μ)與濤微中子(τ),而這種現象就稱為「微中子振盪」。今年諾貝爾物理獎就是表彰了他與加拿大教授研究微中子震盪,進而推論微中子帶有質量的成就!

熊教授解釋了振盪需要有質量後,就進一步展開了廣東大亞灣的微中子實驗,由臺灣(台大、交大、聯大)、中國、香港,以及歐美等地跨國合作,從2006年就開始推動大亞灣的微中子實驗。實驗地點為何選在廣州深圳大亞灣核電廠旁?因為這個實驗不是針對太陽微中子,也不是針對超新星微中子,主要是希望偵測來自核電廠反應堆的微中子!

在緊鄰花崗岩的山腳下,實驗團隊在三個實驗大廳中架設了八個微中子偵測器。當中每個微中子偵測器都是一個三層鐵桶,中間的鐵桶中裝有許多二十吋的光電倍增管,並在光電倍增管外灌以大量的純水,以偵測微中子的存在。此外,在偵測器上方也有輻射校正器,可以作為粒子偵測的校正。由於站在許多前沿研究的肩膀上,從2011年聖誕節前夕才開始收集數據的大亞灣微中子實驗計畫,居然在2012年蒐集到第三類微中子震盪的證據,為微中子模型拼湊出更完整的輪廓,這個實驗結果也有助於說明宇宙中物質與反物質不對稱的奧妙!

近年來微中子的研究不斷地為物理界投下震撼彈,但這些只是微中子謎團的初步線索,熊教授最後提出了大亞灣實驗未來的願景,和全新探測器的設計規劃,相信不管是日本的超級神岡探測器,或是大亞灣微中子實驗的新計畫,我們都可以期待科學家持續探索未知,將藉著觀測微中子的各項本質特性,幫助人類還原出宇宙形成時的第一現場!

 
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玻色子(1)微中子(14)
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