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大亞灣實驗發現新的微中子振盪模式

活躍星系核_96
・2012/03/09 ・1984字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

大亞灣微中子振盪實驗團隊於三月八日發布新聞,宣布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概率。此項研究結果將開啟通往物理新知的大門,未來可望能解釋宇宙中物質與反物質不對稱的奧秘。

微中子是不帶電的粒子,在宇宙大爆炸之後就流竄於宇宙間,而且新的微中子不停的在恆星或其它的核反應中產生。它們自由地運行於宇宙間,全然不受電磁力的影響,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。捕捉微中子對科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,並且著手設計與推動實驗。

微中子振盪是什麼呢?目前已知的微中子有三種類型—電子類、緲子類和濤子類,微中子在傳播過程中可不斷地由一類轉化成另外兩類,稱為微中子振盪現象。微中子振盪可由六個物理參數來描述,其中部份參數已經由太陽微中子、大氣微中子,或經由反應爐和加速器實驗量測出其值,然而尚有混合角 θ13 與 CP 相位角 δCP 兩參數待精確量測。

圖 1:大亞灣實驗站位置圖。黑點部分為核反應爐,6 個微中子探測器(AD1~AD6)分別安裝於 EH1、EH2 及 EH3 三個實驗站。

為測量反應機率極低的反微中子,大亞灣實驗團隊於中國廣東核電廠附近的山中架設六組龐大微中子偵測器,用以觀測由核反應每秒所產生出數以千萬計的微中子。並於二○一一年十二月二十四日至二○一二年二月十七日此段期間,成功擷取到萬顆電子類反微中子。經由科學家的數據分析,首次發布精確測量到解釋微中子振盪的重要參數「混合角 θ13」。藉由比較三處實驗站(圖 1)所擷取到的反微中子數目差異(圖 2),大亞灣實驗團隊觀測到約有百分之六的反微中子在運行期間消失,並精確計算出微中子混合角 θ13 的值,其結果可表示為 sin2 2θ13 = 0.092+/-0.017,因此在五個標準差之下可以排除 θ13 為零的可能性。此實驗結果不管是反微中子消失的機率或是混合角 θ13 都比科學家先前所預期的大。大亞灣實驗團隊並指出未來微中子實驗可望進一步測量出正、反微中子之間的振盪行為差異,此實驗結果將有助於解釋宇宙中物質與反物質不對稱的問題。

圖 2:橫軸表示微中子探測器距離反應爐的平均距離,縱軸表示探測器量實際測到的事例數除以無微中子振盪時之預期事例數。

大亞灣實驗探測器設置於中國廣東省深圳市大亞灣核電廠區內。廠區內的三座核電廠是世界上發電功率最高的核電廠群之一,核反應所提供的豐富反微中子數量,再加上其周邊的地形優勢,大亞灣堪稱世界上絕佳的微中子實驗地點。因此,大亞灣實驗團隊計畫設置八個反微中子探測器於三個不同實驗站,分別是大亞灣近點、岭澳近點與遠點(圖 1、3)。各實驗站皆設置於鄰近核電廠的山中,藉天然的山岩來降低宇宙射線的干擾,並提高實驗量測的精準度。兩個近點實驗站設置於離核電廠反應爐五百公尺內距離,用以量測反應爐的反微中子產量;遠點設置於距離反應爐約兩公里處,用以擷取經過振盪後的反微中子數量。再經由比較近點與遠點的反微中子數量差異,θ13 值可以被精準地計算出。

圖 3:照片為遠點實驗站裝設三個微中子探測器放置在水池中。水池探測器周圍佈滿光電倍增管,主要功能是用來偵測宇宙射線,以降低背景干擾。

此獨特的實驗設計是希望藉由近端探測器所擷取到的反微中子數量估算遠端探測器應當觀測到的反微中子數量。倘若遠端探測器所擷取到的反微中子數量比推估的數值少,這意味著有部分反微中子從反應爐至遠端探測器約兩公里的運行距離間消失。這種近端、遠端相對的測量方法有效地排除來自核電廠反微中子產率的實驗誤差,這也是大亞灣實驗能夠精確測量到混合角 θ13 的關鍵所在。如今已有六組探測器安置完成,大亞灣實驗團隊預計於今年夏天安裝最後兩組微中子探測器,屆時將擷取到更多的反微中子,並能夠有更精確的實驗結果 。

圖 4:照片為微中子探測器內部結構,探測器周圍佈滿光電倍增管,內部裝有四米與三米的壓克力桶。其中臺灣團隊負責製作最內部捕捉微中子的中心三米壓克力桶。

大亞灣實驗由中國、美國、台灣、香港、俄羅斯與捷克的三十七所院校,共二百多位研究人員參與合作。台灣團隊由國立台灣大學、國立交通大學與國立聯合大學組成,主要負責內層微中子偵測器製作(圖 4)、數據擷取系統開發以及數據分析。

大亞灣實驗亞洲團隊由共同發言人兼中國科學院高能所所長王貽芳帶領,美方團隊由柏克萊實驗室的 Kam-Biu Luk(兼共同發言人)、William Edwards,以及布魯克海文國家實驗室的 Steve Kettell 帶領。台灣團隊則由國立台灣大學熊怡教授、國立交通大學林貴林教授與國立聯合大學王正祥教授帶領。

本文由台大物理系提供

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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終於抽到 SSR 微中子啦!人類首見太陽稀有核反應的直接證據
科學大抖宅_96
・2020/12/15 ・3518字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 593 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

就在 2020 年 11 月 25 日,知名期刊《自然》(Nature)刊登了一篇別具意義的論文:義大利格蘭薩索國立實驗室(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)的研究團隊Borexino Collaboration首度偵測到,來自太陽核融合過程中碳氮氧循環(carbon–nitrogen–oxygen cycle,CNO cycle)的微中子。

碳氮氧循環是在 1930 年代末期,由德國物理學家魏茨澤克(Carl von Weizsäcker,1912–2007)和德國、美國雙重國籍的猶太裔物理學家貝特(Hans Bethe,1906–2005)分別提出的概念。恆星在誕生初期,主要成分為氫,藉著兩種不同類型的核反應,將氫融合成氦並產生能量――碳氮氧循環即為其中之一。

恆星在進行核融合反應的時候,會產生無以計數的電中性微小粒子――稱為微中子(neutrino);雖然人們於 1968 年就已測得太陽釋放出的微中子,但直到五十多年後的現在,來自碳氮氧循環的微中子才終於有了觀測證據――這不但是微中子實驗的重大突破,也帶來深遠的影響。

格蘭薩索國立實驗室地表部分的俯瞰照。圖/Wikipedia

恆星的氫融合(Hydrogen fusion)

1920 年代初,人們對太陽如何發光、發熱毫無所悉;當時,知名天文學家愛丁頓(Arthur Stanley Eddington,1882–1944)提議,恆星可能是利用氫,核融合為氦,來產生能量。只不過,因為核反應相關理論還在發展當中,背後原理付之闕如,愛丁頓的假說尚未能有證據支持。

到了 1930 年代後半,伴隨核子物理的飛快進展,時任美國康乃爾大學(Cornell University)教授的貝特,發表了一系列共三篇論文,總結當時幾乎所有已知的核子物理知識――被戲稱為「貝特聖經」(Bethe’s Bible)。作為美國頂尖的理論物理學家之一,貝特受到其他學者針對太陽的研究成果啟發,又接續撰寫了兩篇論文,主題分別就是現今所知,氫核融合為氦的兩種核反應類型:一為質子–質子連鎖反應(proton–proton chain reaction,又稱質子–質子鏈反應),二為碳氮氧循環――也因為在「核反應理論的貢獻,尤其是關於恆星產生能量的發現」,貝特獨得1967年諾貝爾物理學獎。

漢斯‧貝特。圖/Wikipedia

太陽的主要反應——質子–質子連鎖反應

在貝特之後,科學家針對兩種類型的核反應,進行了更多的研究與補充;如今我們知道,恆星在形成初期主要由氫構成,其核心的高溫、高壓,促使氫進行核融合反應成為氦,連帶產生能量;在質量約莫等於太陽、或更小的恆星上,極大部分產出能量都來自質子–質子連鎖反應。

在質子–質子連鎖反應的第一階段,兩個氫原子核(即質子)融合成一個氘原子核(氫的同位素,由一個質子和一個中子組成),加上正電子和微中子――現實上這極難發生:太陽核心的每個質子,平均要等 90 億年才能夠藉由量子效應,成功和另一個質子融合,只是因為太陽的質子數目極多,所以此核融合反應才得以穩定進行;也幸虧這個反應相當困難,太陽才不至於一下子就耗盡了所有的氫。

緊接著,新形成的氘原子核會再和一個質子融合,產生氦的同位素氦-3 以及光子。最終,氦-3 會經由幾種不同的途徑(鋰、鈹、硼三種元素會在此過程中產生,又被消耗掉),成為氦-4,也就是最常見的氦原子核――而恆星的溫度與組成就會決定這些反應途徑的發生比例。

大型恆星主要反應——碳氮氧循環

除了質子–質子連鎖反應之外,還有另一種管道可以將氫融合成氦,稱為碳氮氧循環。除了貝特之外,1930 年代末於威廉大帝物理研究所(Kaiser Wilhelm Institute für Physik)擔任研究員的魏茨澤克,也對碳氮氧循環作出重要貢獻。

卡爾‧馮‧魏茨澤克。圖/Wikipedia

碳氮氧循環跟質子–質子連鎖反應一樣,能夠藉由多重的核融合途徑將氫融合為氦;只不過,碳氮氧循環需要利用恆星內部既有的碳、氮、氧元素(有時也牽涉到氟和氖)在中間做催化,其於核反應之中消耗,讓氫融合為氦,然後重生――整個淨反應不會牽涉到碳、氮、氧元素的增減。

碳氮氧循環和質子–質子連鎖反應的開始,以及兩者產出的能量,由恆星的核心溫度決定。相較於只要約絕對溫標 800 萬 K,就足以讓質子–質子連鎖反應持續發生,碳氮氧循環要到 1500 萬 K,反應才能夠不斷循環下去。以太陽為例,其核心溫度約 1570 萬 K,僅比 1500 萬 K 高一點,估計只有 1.7% 的氦-4 核融合產物來自碳氮氧循環。在質量為太陽 1.3 倍以上的恆星,碳氮氧循環才會是主要的能量來源。

恆星產出的能量(縱軸),和其溫度(橫軸)的關係圖。太陽核心差不多剛好就在碳氮氧循環(藍線)開始得以進行的溫度。圖中的綠線代表質子–質子連鎖反應,最右的紅色線條則稱為三氦核過程(Triple-alpha process),目前太陽的溫度不足以進行,也非屬氫融合。圖/Wikipedia

在太陽觀測到碳氮氧循環的微中子!

不管是質子–質子連鎖反應還是碳氮氧循環,都會產生大量微中子。然而,因為牽涉到的中間過程不同,所以兩者產生的微中子,其流量和能量分布呈現相異的特徵――科學家便能據此,利用太陽產生的微中子,來得知太陽內部核融合反應的狀況。

為了避免宇宙射線的干擾,Borexino 實驗座落於義大利格蘭薩索山(Gran Sasso d’Italia)地底;偵測器主體由直徑4.25公尺的尼龍容器製成,裝滿了278公噸的液態閃爍體(liquid-scintillator);當太陽微中子通過閃爍體時,有機會和其中的電子作用並產生光子――排列在周圍的光電倍增管(photomultiplier tubes)陣列便能補捉到這些光子訊號。

雖然從太陽產生的微中子多不勝數――差不多每秒就有一千億個太陽微中子穿越你的拇指指甲,但它們很難和其他物質作用,可以幾乎毫無阻礙地穿過整個地球;平均來說,每一百公噸的閃爍體每天只能和數十個微中子成功發生反應,來自碳氮氧循環的微中子就又更少了。

Borexino 團隊早在 2018 年就已針對質子–質子連鎖反應產生的太陽微中子發表過詳細的研究報告;這一次,他們利用 2016 年 7 月到 2020 年 2 月,總共運轉了 1072 小時的實驗數據,成功確認來自碳氮氧循環的太陽微中子――這並不表示團隊只要把儀器設置好就沒事了:一方面他們必須將來自碳氮氧循環的微中子,與質子–質子連鎖反應的微中子區分開來;二方面,還必須排除偵測過程中可能的雜訊――閃爍體、容器、甚至外在環境都含有的微量放射性元素,以及沒有完全排除的宇宙射線,都可能會造成假訊號。經過多年的努力與研發,實驗團隊才成功將雜訊壓低,讓碳氮氧循環微中子的偵測成為可能。

實驗團隊的實驗數據:桃紅色實線代表觀測到的總微中子事例數目分布,紅色實線則代表來自碳氮氧循環的微中子事例。圖/參考文獻1

碳氮氧循環的微中子有助於理解太陽組成

本次實驗結果,不但肯定了魏茨澤克和貝特關於碳氮氧循環的研究,也確認了太陽核融合產生的能量,約有 1% 來自碳氮氧循環。因為碳氮氧循環的過程中,會使用到碳、氮和氧,以致這些元素在太陽核心的含量,會連帶影響到碳氮氧循環的反應速率、跟產生的微中子流量――所以,碳氮氧循環微中子還能拿來評估太陽內部碳、氮、氧元素的豐富程度。

以往,針對太陽金屬豐度(metallicity,比氦重的元素在天文學都稱為金屬)的研究,利用聲波在太陽上的傳遞現象(即日震學)所得到的結果,和標準太陽模型的預測一致;但是近來的光譜學測量,卻得到矛盾的結論。恆星的金屬豐度會影響光子在其內部傳遞的難易度,間接改變恆星的溫度、甚至演化過程――若能精確測量太陽的金屬豐度,將大幅提昇我們對太陽的認知。

儘管,現在對碳氮氧循環微中子的觀測結果,還不足以解決太陽金屬豐度的問題;但未來若能進一步提高實驗精確度,或許對此議題能夠有所發揮。另一方面,Borexino 團隊的成就,也讓我們對較重恆星產出能量的主要方式,即碳氮氧循環,擁有更全面性的理解――這無疑是微中子物理學的里程碑,也是實驗物理的階段性成就。

Borexino實驗中,裝了液態閃爍體的水槽。圖/參考文獻1

參考資料

  1. The Borexino Collaboration, “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun”. Nature 587, 577–582 (2020).
  2. Maurizio Salaris and Santi Cassisi, “Evolution of stars and stellar populations”.  Hoboken, NJ, USA : J. Wiley (2005).
  3. Gabriel D. Orebi Gann, “Neutrino detection gets to the core of the Sun”. Nov. 25 (2020).
  4. Hamish Johnston, “Borexino spots solar neutrinos from elusive fusion cycle”. Physicsworld, Nov. 25 (2020).
  5. Stellar nucleosynthesis – Wikipedia
  6. Proton–proton chain reaction – Wikipedia
  7. CNO cycle – Wikipedia
  8. Hans Bethe – Wikipedia
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/