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2015 諾貝爾物理獎:地底水槽探索微中子震盪-《科學月刊》

張敏娟/任職輔仁大學物理系副教授、兼任磨課師(MOOCs)執行長。曾任國際及兩岸教育處學術交流中心主任、中華民國物理學會《物理雙月刊》總編輯。

今(2015)年10 月6 日,諾貝爾遴選委員會宣布物理獎由梶田隆章(Takaaki Kajita)與亞瑟.麥唐納(Arthur B. McDonald)獲獎。表彰他們找到微中子(neutrino)震盪的證據,進而推測微中子具有質量的貢獻。

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梶田隆章(Takaaki Kajita),1959 年生,日本物理學家、天文學家。Source: ICRR, the University of Tokyo

梶田是日本人,目前56 歲,是日本東京大學的教授。1981 年埼玉大學物理系畢業,接著在東京大學念物理博士,並加入位於日本神岡的大水槽實驗(KamiokaNDE),1986 年博士班畢業。他在畢業後,於東京大學理學院繼續擔任助手(1986)、接著轉到該校宇宙線研究所擔任助手(1988)、助教授(1992)、教授(1999)、所長(2008)。他參與神岡大水槽實驗(KamiokaNDE)與超級神岡大水槽實驗(Super-KamiokaNDE),研究能力傑出,獲得許多研究大獎。最特別的大獎之一是在2002 年,梶田與影響他最深的兩位老師、前輩:戶塚洋二與小柴昌俊,三人共同獲得潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎。小柴昌俊因為神岡大水槽實驗獲得2002 年的諾貝爾物理獎(超級神岡大水槽實驗的前身),戶塚洋二是主導超級神岡大水槽實驗的前期主要負責人(2008 年因為癌症過世)。

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麥唐納(Arthur B. McDonald),1943 年生,加拿大物理學家。Source: Arthur B. McDonald

而麥唐納是加拿大人,目前72 歲,是加拿大皇后大學的教授。麥唐納1964 年達爾豪西大學物理系畢業,1965 年同校物理碩士畢業,接著轉往美國加州理工學院念物理博士,1969 年畢業。他在博士畢業後,於加拿大首都渥太華的喬克河核子實驗室任職研究員(1970~1982)。接著轉往美國普林斯頓大學任職教授(1982~1989),之後又回加拿大的皇后大學擔任教授(1989)。

麥唐納在任職皇后大學期間,領導位於加拿大安大略省的薩德伯里微中子觀測站(Sudbury Neutrino Observatory, 1999~2006)。在2001 年8 月,麥唐納領導的薩德伯里微中子觀測站團隊,發表實驗結果並推論出「來自太陽的電子微中子,會因為微中子振盪機制改變為緲子微中子和濤微中子」。這個結果支持在1998 年,超級神岡大水槽實驗發表的類似論點文章。因此2007 年,美國費城富蘭克林研究所,將富蘭克林獎章頒發給領導超級神岡大水槽實驗與薩德伯里微中子觀測站團隊的戶塚洋二與亞瑟·麥唐納。我想,如果戶塚洋二能夠活久一點,一定也可以拿到諾貝爾物理獎的。

  • 微中子震盪
    為微中子在三種「味」之間震盪,意思是電子微中子(e)、渺子微中子(μ)、與濤微中子(τ)之間,會互相轉換身份。
  • 味(Flavour):代表的意思跟「種類」類似,但是也含有看不見、摸不著的意思。

關於微中子被提出與命名的歷史

從沃爾夫岡‧ 包立說起。奧地利理論物理學家包立(Wolfgang Pauli, 1900~1958)是量子力學研究先驅之一。一般廣為所知的是他提出的包立不相容原理,發展出自旋理論,重新詮釋物質結構。包立獲得1945 年的諾貝爾物理獎。包立很少發表論文,他比較喜歡與同行交換長篇的信件。1930 年,包立思考了β 衰變(beta decay)的問題,也就是原子核轉變為另一種原子核時,會伴隨產生一種小粒子。他寫信給同行,提出存在一種電中性的、迄今為止未被觀測到的小粒子假說,以此解釋β 衰變。不過這個看不見的小粒子,到底要怎麼繼續討論它,包立很苦惱。

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奧地利理論物理學家包立。Source: oddee

1934 年, 恩里科· 費米(Enrico Fermi, 1901~1954)為美籍義大利裔物理學家,重新詮釋包立的β 衰變假說。費米將包立苦惱的那個伴隨β 衰變產生的小粒子,命名為微中子(neutrino),讓β 衰變滿足能量守恆理論,並定義:「β 衰變是放射性原子核放射電子(β 粒子)和微中子而轉變為另一種原子核的過程。」由於費米是義大利人,所以微中子命名給人的感覺,很像義大利咖啡卡布奇諾(Cappuccino)。費米重新詮釋的β 衰變,是弱作用力理論的前身。他演示了幾乎所有元素在中子轟炸下都會發生核變化。慢中子和核裂變的發現,也是費米以及他的學生們推論出來。費米獲得1938 年的諾貝爾物理獎。

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美籍義大利裔物理學家恩里科· 費米。Source: atomicheritage

微中子研究,從費米之後,百家爭鳴。其中以1964 年提出夸克理論的默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann,1929 ~)為首,漸漸朝向基本粒子標準模型邁進。蓋爾曼因此獲得1969 年的諾貝爾物理獎。微中子們在還沒被找出來之前,就已經被預測會出現,並預先留好座位給他們了。尋找微中子特性的實驗很多,本文僅說明此次獲諾貝爾獎的兩個實驗。第一個是日本超級神岡大水槽,第二個是加拿大薩德伯里微中子觀測站。

微中子的實驗觀測,主要分為四種:太陽微中子、大氣微中子、核反應爐微中子與粒子束微中子。神岡大水槽與超級神岡大水槽,屬於觀測大氣微中子的實驗;加拿大薩德伯里微中子觀測站,則屬於觀測太陽微中子的實驗。至於核反應爐微中子,比較有名的是日本的KamLAND 和中國大陸大亞灣微中子實驗,它們都屬於把偵測器放在核能發電廠旁邊的實驗。而粒子束微中子,是利用加速器產生微中子光束的實驗,比較有名的有美國的MINOS、日本的K2K、T2K。還有許多有名的微中子實驗室,就不一一列舉。

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日本T2K微中子光束實驗。Source: arstechnica

日本超級神岡大水槽實驗,地點位於日本岐阜縣飛驒市神岡町的一個廢棄砷礦裡面。神岡是一個非常純樸的傳統日本小鎮。超級神岡大水槽實驗所在的廢棄礦坑,是更早之前的神岡大水槽實驗的地點,但是規格擴大了十倍。超級神岡大水槽為直徑約39.3 公尺、高度約41.4 公尺的不鏽鋼圓柱形容器,裡面注入約5 萬噸純水,容器內壁使用約1 萬1200個光電倍增管,用於探測高速微中子在水中通過時產生的「契忍可夫光(Cherenkov light)」。

超級神岡大水槽的位置,在地底下1000 公尺深,主要是為了隔離地面上的各種背景雜訊。大水槽上方,承受每平方公尺2700 噸的壓力。還好礦坑由堅硬的岩石所組成,承受得住壓力。1991 年12 月,超級神岡大水槽開始正式動工,總共花了約兩年半,才把地底下需要的空間清空。接著用噴水泥的方式,把牆面固定。每隔一定距離,在牆面做一個記號、鑿一條小通道,預留空間給光電倍增管安裝電線。為了讓地底下的五萬噸純水保持純淨,大水槽旁邊建了一座淨水系統,隨時淨水。為了分析數據,在大水槽上方的地面上,蓋了一個電腦中心。所有實驗數據都透過電子訊號讀出系統送到電腦中心,做數據分析與值班的人員,可以在地面上處理。

當帶電粒子高速通過純水,有機會產生契忍可夫光。理論物理學家推論,當水裡面的質子被高能量的粒子打碎,產生衰變放出微中子,就有機會發出契忍可夫光。接著使用光電倍增管,將光訊號放大變成光電子訊號,由於具有高壓電的光電倍增管,可以讓光電子在管中產生電子雪崩效應,讓電訊號放大,這樣就能找到質子衰變的證據。一開始建造大水槽的目的,是為了找質子衰變。

日本超級神岡大水槽實驗

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Source: Super-Kamiokande Collaboration, Japan

超級神岡大水槽,主要觀測大氣微中子,微中子觀測數量之理論預測值並不隨天頂角而改變,而是呈一定值。然而,超級神岡大水槽於1998 年發現,從大水槽下方進來的渺子微中子(產生於地球另一側)被觀測到的數量是從大水槽上方進來的渺子微中子數量的一半。這個結果被解釋成微中子轉變至其他種類的微中子,這個現象即是微中子震盪。此發現表示微中子具有有限質量,並暗示著標準模型需要被延伸。微中子在三種「味」之間震盪,而且各種微中子皆有其靜止質量。於2004 年的進一步分析顯示,事件發生率是長度除以能量的函數,並有著正弦函數的對應關係,確認了微中子震盪理論。

契忍可夫光

未命名

Source: wikipedia

契忍可夫光是帶電粒子以超過光速穿過介質時發出的光。要超過的光速是光的相速度而非群速度。契忍可夫光在1934 年,由蘇聯物理學家帕維爾·契忍可夫(Pavel Cherenkov)發現的。這個現象跟飛機以超音速飛行,產生音波堆疊,堆疊承受不住後,發生音爆現象類似。只是改成帶電粒子以超光速飛行,產生光子震波堆疊,堆疊承受不住後,發生光爆現象。契忍可夫與另外兩位蘇聯物理學家成功解釋契忍可夫光的成因後,於1958 年,三人一起拿諾貝爾物理獎。

直徑約50 公分的光電倍增管,外層的玻璃,是由日本吹玻璃技師細心做出來的,同時訓練一批技師,將光電倍增管的電極等元件,一層一層的裝好,放進玻璃管裡面。再接著用高溫融封玻璃管,一邊也確定壓力穩定沒變形之後,再將電線放入光電倍增管連接電極、電線拉出的地方做最後的防水封裝。1994 年7 月,光電倍增管完成。讀出訊號的電子設備、物理理論模擬軟體,在籌備階段也跟著一起研究。在硬體準備就緒後,所有電子設備全部運到地底下大水槽的正上方,準備做即時數據監控。

無論是神岡大水槽或是超級神岡大水槽,都沒能找到質子衰變的事件。讀者可能會疑惑:「如果神岡大水槽一直都沒有達到原本希望達到的實驗目的,為何還會再花那麼多錢、升級擴建變成十倍大的超級神岡大水槽呢?」最關鍵的原因是:

「神岡大水槽意外的在1987 年2 月,測量到大麥哲倫雲中超新星1987A 爆發時產生的微中子。」

在1987A 爆發的光線來到地球的3 小時前,世界各地有三台微中子探測器同時偵測到微中子爆發,廣泛接受的理由是微中子於超新星爆發時,比可見光更早被發射出來,而不是微中子比光速快。這三台微中子探測器分別為:日本的神岡大水槽,美國的厄文– 密西根– 布魯克海汶偵測器(IMB),俄羅斯的BAKSAN 偵測器。神岡大水槽因為有了意外的微中子訪客而爆紅,促成了超級神岡大水槽計劃。而原本希望量測質子衰變的目標,也中途改為以大氣微中子的研究為主。

加拿大薩德伯里微中子觀測站,實驗地點位於2100 米深的鎳礦中。跟超級神岡大水槽的1000 米深的砷礦比起來,還要再深1100 米。在地底下2100 米深,主要是為了隔離地面上的各種背景雜訊。觀測站上方,承受巨大的壓力,因此使用特殊錨杆技術支撐住。薩德伯里微中子觀測站中,有一個直徑12米的球形容器,裡面裝有1000 噸重水,容器壁用丙烯酸脂製成,厚度5 厘米。在這容器的外面有一個直徑17 米的偵測球,在偵測球裡面安裝了9600 個光電倍增管,用於偵測契忍可夫光。為了給予浮力與輻射屏蔽,整個探測器浸泡在直徑22米、高度約34米、裝滿普通水的圓柱形腔體中。

早於1960 年代,就已有美國Homestake實驗獲得關於太陽微中子抵達地球的測量數據。在薩德伯里微中子觀測站之前,所有實驗都只觀測到大約為標準太陽模型所預測的微中子數量的1/3 至1/2。這被稱為太陽微中子難題。幾十年來,很多理論被提出來解釋這效應。其中一個是微中子振盪假說。1984 年,美國加州大學爾灣分校的物理學教授赫伯特·陳(Herbert Chen)指出,重水是製作太陽微中子探測器的優良材料,因為可以清楚分辨三種微中子與電子微中子,適合研究太陽微中子振盪。1990 年,實驗計畫正式被批准。在這實驗裡,當微中子與重水交互作用時,會出現電子以高速移動經過重水,因契忍可夫效應而產生藍色光錐。利用光電倍增管可以偵測出光訊號。

加拿大薩德伯里微中子觀測站

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Source: SNO

加拿大薩德伯里微中子觀測站,主要觀測太陽微中子。在太陽微中子理論中,有三種產生微中子的衰變:

一、在電性流交互作用裡,微中子將重氫裡的中子變為質子,並且釋出一個電子。
二、在中性流交互作用裡,微中子離解了重氫,將其分裂成中子、質子。
三、在電子彈性散射裡,微中子與束縛於原子裡的電子發生碰撞。

在薩德伯里微中子觀測站中,以上三種產生微中子的衰變,每天都可以量測得到。2001 年6 月18 日,薩德伯里微中子觀測站因為透過研究這三種太陽微中子衰變,也確定了微中子會轉變至其他種類的微中子,產生微中子震盪,確認了微中子震盪理論。

物理獎的未來

微中子的研究風潮,仍然在高能物理科學界如火如荼地進行者。因為研究微中子而發表優秀實驗結果的團隊,依然很多。明年的諾貝爾物理獎,會不會又是給高能物理實驗呢?會是哪一個團隊呢?每年的十月份,總讓人充滿期待。

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〈本文選自《科學月刊》2015年12月號〉

延伸閱讀:
2014諾貝爾物理獎:把「光子」變重了—基本粒子的質量起源

天上掉下來的粒子—從包利到希格斯

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