隱形人微中子：縱觀微中子物理

(物理雙月刊 38卷2期 2016/04)

微中子雖遍佈於浩瀚的宇宙,卻極難被偵測,一定是內有玄機,背後隱 藏著重要的秘密...... 

二十世紀初，原子核物理研究正在萌芽，科學家發現β - 衰變中的電子動能呈現連續能譜而非單能分佈。這與動量能量守恆有所矛盾，使人疑惑。1930 年奧地利物理學家Pauli 大膽的假設在β - 衰變中，有一質量極小、不帶電荷、且與物質不會有交互作用的粒子釋出。1932 年，英國科學家Chadwick 發現中子(neutron)，雖為中性但因質量太大，不可能在β - 衰變中釋出。1934 年，意大利的Fermi 發展β - 衰變的理論，同時命名這神祕的粒子為〝neutrino〞---『微中子』，在意大利文中有微小的中子的意思[ 註1]。
 

　　在1956 年，美國物理學家Cowan 和Reines 在實驗中偵察到核能發電釋出的微中子，並稱之為「人類所設想到最細小的物質」。這項重要發現榮獲1995 年諾貝爾物理獎。可是時至今天，我們尚未透徹瞭解這充斥整個宇宙的基本粒子。微中子基本特性的研究，包括質量、不同種類微中子間的混合和與物質的交互作用等，仍是基礎科學的前沿課題，為「兵家必爭之地」。研究結果對粒子物理、天文物理及宇宙學等領域的發展，深具影響。現在確知的是微中子雖有質量但遠比電子為輕，它不帶電荷，自旋1/2 和只有弱交互作用，且有三個不同家族的微中子( e ν 、μ ν 和τ ν ) 及它們的反粒子。美國科學家Lederman, Schwartz 與Steinberger 於1962 年在加速器中發現μ ν 微中子，獲得1988 年諾貝爾物理獎。

　　探討微中子的特性，除了是瞭解粒子物理現象的課題[ 註2] 外，對解答天文物理和宇宙學[ 註3] 的疑團，亦深具意義。微中子為剖析統一場論的結構與描述宇宙學―研究最小和最大尺度中的物理現象―的橋樑。

不同的微中子源，有不同的能量範圍( 圖一)，在實驗研究中有互補之優點。但困難處是微中子只能與物質有極微弱的交互作用。例如核能發電廠可以產生大量的微中子[ 註4]，它們平均需要穿透200 多光年的水( 一光年約為地球跟太陽距離的六萬三千倍)，才會產生一次作用被「拍照分析」。因此，微中子物理就像是研究「隱形人」的領域。偵測微中子所以是項艱鉅的挑戰，需要龐大體積的探測器和拓展技術前沿的實驗( 原稿附Super-Kamiokande,KATRIN, IceCube ... 等實驗使人撼動感動之照片，但因版權規範不可刊登，讀者可自行於網路搜尋)。經數十年的努力，物理學家已偵察到從太陽、宇宙射線、加速器、核能發電廠、超新星爆炸與天體釋放出的微中子。

　　在核物理，電弱作用和強交互作用的研究中，均有採用來自加速器的微中子作粒子源。微中子能提供分鑑力高的訊號，並沒有難以處理的強作用背境事例，有助於分析數據和推論結果。而源自天體的微中子，由於是來自星辰核心，為直接探索天體內部的結構和運作的重要工具。例如太陽微中子的測量，是太陽核心的發熱機制為核融合的直接證據，並可以之推算太陽內部溫度，其通量在年中之變化更可反推地球圍繞太陽軌跡的橢圓性。

　　美國的Davis，自60 年代開始，利用六百多噸的清潔劑，於Homestake地下實驗室，測量太陽微中子(2002 年諾貝爾物理獎)，靈敏度是在約1030個2 4 C Cl 分子中，偵察每天一個的37Ar 原子。實驗結果是成功的偵察了太陽微中子，證明了太陽的能量確實為質子( 氫) 的核融合作用所產生。但數據同時顯示測量到的微中子通量，較太陽運作的標準模型為少。這『太陽微中子問題』，困擾了基礎科學四十多年。這疑團終於在1998 年開始得到解答。物理學家在太陽、宇宙射線、加速器與核能微中子的測量中，發現它們在穿越空間時會「變臉」──即從一種微中子轉變成另一種微中子。這種轉變被稱為「微中子振盪」(neutrino oscillation)[ 註5]。微中子必須有質量才能「變臉」，且三個不同家族的微中子可互相作量子混合。為此，粒子物理中原固若金湯的「標準模型」(Standard Model)，也需要作出修訂[ 註2]。這精彩故事與台灣在其中發展的角色，讀者可參閱本期雙月刊中林貴林、陳俊瑋、熊怡各老師的專文介紹。

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