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反微中子——解釋宇宙成份的粒子

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撰文者:作:PHIL DOOLEY;譯:文裕
發文日期:2018-06-05
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  • 微中子的反粒子就是微中子自己?為了解答這個問題,4組科學家埋首探測一個 80 億億億年(8 × 1025年)一遇的超罕見事件!

    這個事件叫做「無微中子雙β衰變(Neutrinoless double-beta decay)」。在這衰變反應中,兩個微中子(Neutrino)會互相湮滅,這暗指微中子的反粒子就是自己並讓微中子被歸類為「瑪約拉納粒子(Majorana particle)」。而這個衰變反應也有可能可以解釋宇宙中的物質與反物質比例之謎。

     
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    Inside the facilities at Gran Sasso, where the hunt for neutrinoless beta decay continues.
    Credit: PIGI CIPELLI\ARCHIVIO PIGI CIPELLI\MONDADORI PORTFOLIO VIA GETTY IMAGES
     

    在1928年,英國物理學家保羅‧狄拉克(Paul Dirac)提出︰「粒子和反粒子是對方的鏡像,它們有相反的特徵,例如:相反的電荷、對稱等。」透過研究放射衰變和粒子對撞實驗,科學家開始理解這些粒子和反粒子的特性。我們常聽到的「電子」和「正子(即是反電子)」就是一個典型例子。

    狄拉克的理論包含了完美的對稱性—這是一個大問題。如果正反物質真的如此對稱,那麼宇宙大爆炸的那一刻,理應有相同份量的物質和反物質同時產生,其後它們在極短時間內相遇、湮滅,餘下一個只有能量在盪漾的宇宙。

    顯然事實不是這樣—事實是宇宙大爆炸時,物質比反物質都要多。當反物質全數遇上物質並湮滅後,只有物質餘下,它們組成了恆星、行星和我們。

    此時,科學家就遇上兩難︰一方面,大量的實驗支持狄拉克的對稱理論;另一方面,實際的觀測卻指出物質比較多。

    為此,義大利物理學家艾托累‧瑪約拉納(Ettore Majorana)在1937年提出了一個假說︰「『微中子』和『反微中子』其實是同一種粒子」。這樣的話,狄拉克理論中的對稱性得以維持,同時這也可以解釋為何宇宙中的物質比較多。

    為了證實瑪納拉納的說法,科學家便開始尋找「無微中子雙β衰變」。

    「β衰變」指中子變成質子,並發射電子和反電微中子的過程;而「雙β衰變」則是2個中子變成2個質子,並發射2個電子和2個反電微中子的過程。如果瑪約拉納的假設是正確,「雙β衰變」中的2粒反電微中子會有可能互相湮滅,並發生「無微中子雙β衰變」。

    換句話說,如果科學家能夠成功偵測「無微中子雙β衰變」,他們就能證實瑪約拉納的假說,並向物質/反物質比例的解釋邁進一大步。

    「在粒子物理學中,成功偵測無中微子雙β衰變的意義不亞於發現希格斯玻色子(Higgs boson)。」德州大學的物理學家柯士甸‧麥當勞(Austin McDonald)這樣說︰「如果無中微子雙β衰變屬實,這就是在說微中子應歸類作瑪約拉納粒子[註1]。它可能會動搖我們對宇宙誕生的理解。」

    實際上,已經有4個研究小組分別透過4個探測器嘗試偵測無微中子雙β衰變,它們分別是︰
    • 對罕見事件低溫地下觀測站(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events,CUORE)

    CUORE 是四個探測器當中規模最大的,位於義大利的大薩索山實驗室(Gran Sasso Laboratory)。CUORE嘗試偵測碲–130的無微中子雙β衰變。200 kg的碲–130被988個二氧化碲探測器圍繞,而樣本和探測器均被極低放射性的古羅馬鉛包裏著。
     
    • 鍺探測器列陣(Germanium Detector Array,GERDA)

    第二個探測器GERDA同樣位於大薩索山,它嘗試偵測鍺–76的無微中子雙β衰變。這些鍺被懸吊在4公尺高的缸中,而缸則受液態氬的保護。雖然鍺–76的樣本只有38 kg,但在液態氬的保護下,這探偵器的靈敏度比CUORE更高。
     
    • 瑪約拉納展示器(The MAJONARA Demonstrator)

    瑪約拉納展示器位於美國南達科他州的桑福德地下研究機構的探測器與GERDA一樣,均以鍺–76為研究對象。研究的第一部分使用了40 kg 的純鍺–76結晶。盛於鉛塊中的結晶,被安放於地下1.6公里深的廢礦坑中以進行實驗。將來,它會與 GERDA 聯合進行較大規模的鍺實驗。
     
    • 高氙觀測站(Enriched Xenon Observatory,EXO–200)

    EXO–200 位於美國新墨西哥州核廢料隔離實驗設施中,它在深度超過600 m的地底下。它嘗試偵測氙–136的無微中子雙β衰變。這約120 kg的液態氙–136以超純銅盛載,這容器和該片土地的鹽均會阻隔其他背景輻射。


    雖然科學家們付出大量的心血和資源,他們仍未能偵測無微中子雙β衰變。

    「即使如此,我們仍無法斷言無微中子雙β衰變不存在。」CUORE的粒子物理學家兼發言人奧利弗羅‧克利蒙尼西(Oliviero Cremonesi)這樣說︰「只能說我們的實驗的靈敏度仍然不足以偵測這種反應—可能因為這種衰變不存在,也可能因為這種衰變的半衰期更長。 [註 2]」

    GERDA的靈敏度是四個探測器中最高的。以GERDA的樣本質量和觀測長度,科學家計算出無微中子雙β衰變的半衰期至少有80億億億年(8 × 1025年)。其餘3組科學家亦有差不多數量級的計算結果。

    科學家們打算進行一個規模更大、靈敏度更高的實驗。例如在西班牙,氙時投影室微中子實驗(Neutrino Experiment with a Xenon TPC,NEXT–10)的研究人員打算把氙–136的質量從10 kg一舉增加至100 kg,並利用尖端技術來偵測罕有事件,如觀測衰變產物鋇–136的微弱閃光。

    但這團隊還必需要面對一個問題︰如果無微中子雙β衰變真的不可能發生呢?如果微中子像其他費米子一樣,它的反粒子是另一種粒子,那麼反物質的謎題就仍是宇宙的一個不解之謎了。


    註1︰
    如果某種費米子和它的反粒子是兩種不同的粒子,它們就是「狄拉克費米子(Dirac fermion)」,反之就是「瑪約拉納費米子(Majorana fermion)」。電子、質子等幾乎所有費米子都是狄拉克費米子。如果微中子和反微中子是同一種粒子的話,那麼微中子就是人類發現到的首種瑪約拉納費米子。

    註2︰
    這裡的「靈敏度低」指的是「難以偵測低機率事件」。因為衰變現象是隨機的,而指定一個原子核在某時段中的衰變機率可以用半衰期表達,半衰期越長,該機率越低。若要一個實驗靈敏到能偵測到低機率事件,它的觀測對象必須要更多、觀測時期更長。就像你找來更多人買更多期的樂透彩票,你就會更容易觀測到中頭獎這事件一樣。


    本文感謝Cosmos 授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。編譯者:文裕 ,原文刊登於Cosmos March/2018 https://cosmosmagazine.com/physics/scientists-hunt-the-anti-particle-that-could-explain-the-universe
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