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捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子(二)

科學大抖宅_96
・2020/09/02 ・3508字 ・閱讀時間約 7 分鐘

1930年,物理學家包立為了解決貝他衰變裡能量不守恆的問題,假想一種觀測不到的新粒子;這個想法引起了理論物理學家費米的興趣……

本系列上一篇:捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子(一)

費米的理論:可以憑空創造或消滅的微中子

費米採納當時一些人的猜測,假設原子核由質子和(不久前才剛發現的)中子組成;至於貝他衰變裡的電子、和包立假想的微中子,原本並不存在於原子核內,而是在中子轉換成質子的過程中連帶產生;換言之,貝他衰變牽涉到如下反應:

中子 → 質子+電子+(反)微中子[1]

費米參照帶電粒子能夠放出光子的現象,讓理論描述的粒子可以憑空創造或消滅!這在當時是很突破性的概念,也難怪《自然》的編輯認為論文充滿臆測而駁回投稿。

貝他衰變原先被認為僅放出電子(圖左上),後來在費米的理論裡,描述為中子衰變為質子,再加上電子和反微中子(圖右下)。(圖片來源

理論上什麼都穿得透!微中子真的有辦法觀測嗎?

儘管包立的提案和費米的理論看似可以完美解釋貝他衰變帶來的問題,但只要微中子沒有被觀測到,一切都是空中閣樓,事情等於沒有解決。科學家開始思考,有沒有可能用實驗證明微中子的存在。

1934 年,貝特[2]和佩爾斯[3]估算了偵測微中子的可能性。相較於阿爾法粒子(氦原子核)單用一張紙就能擋下,貝他粒子(電子)要用幾公釐厚的鋁片才能遮蔽,伽馬射線甚至需要用到一公分厚的鉛、或六公分厚的混凝土,才能降低約 50% 的強度;兩人卻發現微中子足以在一般性的固體內行進十的十六次方公里(1016km)[4],約莫海王星到太陽距離的 220 萬倍,即一千光年!這麼強的穿透力,顯然沒有任何實驗儀器能夠捕捉。

貝特和佩爾斯於是下了結論:沒有任何實際可行的辦法觀測到微中子!

三種不同的主要衰變,其穿透力各有不同。(圖片來源

微中子觀測計畫:以買樂透的精神進行!

正所謂辦法是人想出來的,就算微中子幾乎可以毫無阻礙穿越任何物體,但只要有夠多的微中子,總還是有機會看到微中子跟其他物質發生反應──就像大樂透雖然很難中獎,但只要多買幾張,或多或少還是會中。

1951 年,曾在曼哈頓計畫、費曼[5]的小組裡工作的萊因斯[6],找了洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的同事科溫[7]一起進行微中子觀測計畫。起初,他們想在距離核子試爆點僅四十公尺的地方,向下挖掘深井放置探測器,利用試爆產生的大量微中子來提高偵測機率。但是,考慮到爆炸只有短短一兩秒,一旦失敗就得重新等待機會;來自中子和伽馬射線的背景雜訊又相當高,反而增加收集數據的難度。

兩人最後決定改在核子反應爐附近進行研究:微中子的數目雖然比核爆少很多,但來源持續穩定──估計每小時只能偵測到數個微中子反應事例,但只要等上幾個月、累積多一點數據,也足夠了。

萊因斯和科溫原本想在離核爆點僅四十公尺的地方挖洞,進行微中子偵測實驗。(圖片來源

利用核電廠尋找微中子

1955 年底,萊因斯和科溫在南卡羅萊納州薩凡納河區(Savannah River Site)的核子反應爐附近設置了實驗儀器。他們將氯化鎘(CdCl₂)溶解於 1400 公升的水裡,在此處理論上每平方公分的水面面積大約每秒就有十兆(十萬億,或1013)個反微中子通過。而如果有反微中子經過,水裡的質子和反微中子作用後,會產生正電子中子(逆貝他衰變):

反微中子+質子 → 正電子+中子

正電子會馬上跟水裡的電子湮滅,放出兩個伽馬射線光子;而中子在接下來百萬分之幾秒內就會被鎘原子核捕獲,也產生伽馬射線。於是,實驗探測器如果在很短的時間內連續看到兩道不同的閃光訊號──就表示觀測到(反)微中子了。

反微中子和水裡的質子作用產生逆貝他衰變,生成的正電子和中子隨後也會分別因為湮滅和捕獲作用而放出光子。(圖片來源

包立,你賭輸了!

1956 年,萊因斯和科溫在做完所有驗證之後,發了電報給正在歐洲核子研究組織(CERN)開會的包立,告知微中子的發現。包立看了電報,立刻打斷會議、興奮地向其他人宣讀電報內容並發表感言。不僅如此,因為包立曾跟天文學家巴德[8]打賭,人類永遠偵測不到微中子──這下他只能願賭服輸,買了一箱香檳送給巴德。

三十九年後,萊因斯因為微中子的發現,獲頒諾貝爾物理學獎;科溫則因為英年早逝,無緣參與這別具意義的一刻。隨著微中子被證實,貝他衰變帶來的懸念總算可以放下──如果事情這麼發展就太無趣了。

第二種微中子

1962 年,萊德曼[9]、施瓦茨[10]、施泰因貝格爾[11]等人從美國布魯克赫文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的粒子加速器,利用 π介子衰變產出微中子束,並確認其與 1956 年發現的微中子有別:貝他衰變裡的微中子,總是伴隨著正負電子;而萊德曼等人發現的微中子,卻是在另一種粒子──緲子相關反應中出現;所以後來兩者分別被稱為電子微中子和緲子微中子。

因為萊德曼、施瓦茨、施泰因貝格爾產製微中子束的方法,能夠幫助科學家更好地研究微中子牽涉到的弱交互作用;也因為他們發現新的微中子,讓後人更加瞭解兩種不同微中子和電子╱緲子的配對關係;三人於 1988 年獲頒諾貝爾物理學獎。

π介子的主要衰變產生反緲子以及和緲子對應的微中子――緲子微中子。(圖片來源

比緲子更重的新粒子

自從緲子在 1930 年代被發現之後,人們花了數十年的時間才逐漸了解,緲子的性質和電子非常接近(只是質量較大)──它們跟兩種微中子後來都被歸類為「輕子」(Lepton)。於是有人猜測,會不會有比緲子更重的輕子呢?

1971 年,台灣出生的美國籍科學家、史丹福大學教授蔡永賜(Yung-su Tsai)發表論文,探討更重的輕子在實驗中可能引發的效應──這導致了接下來 1974 到 1977 年的一系列實驗,以及濤子(Tau)的發現。濤子的發現者佩爾[12]因此和發現微中子的萊因斯共享了 1995 年的諾貝爾物理學獎。

既然電子和緲子都有相應的微中子,濤子應該也不例外──大部分人都是這麼深信的。但是過了許久,直到 2000 年,濤子微中子才正式被發現。

粒子物理標準模型

依照現在的粒子物理標準模型,輕子包含三個家族,分別由帶電的電子、緲子、濤子三者,和相應的(電中性)微中子組成。因為有很強的證據顯示,微中子的質量就算不為零,也必定極小,所以標準模型直接把微中子質量定為零,也沒有微中子的質量來源機制。

故事到此結束了嗎?至少看起來功德圓滿:和電子、緲子、濤子相應的微中子都發現了,不多不少;它們在標準模型的理論架構裡都有適當的位置,而且標準模型運作得非常成功。怎知,很快地,微中子又將帶給物理學界大震撼,標準模型也面臨結構調整。那是下一個故事了。

目前標準模型裡,輕子分成三個家族(三代),各由電子、緲子、濤子和相應的微中子組成。

註釋

  • [1] 費米原本把貝他衰變產生的微小電中性粒子定為微中子,但後來的理論發展將其定義為「反微中子」。
  • [2] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特(Hans Albrecht Bethe,1906年7月2日-2005年3月6日),德國和美國猶太裔核物理學家,1967年諾貝爾物理學獎得主。
  • [3] 魯道夫‧恩斯特‧佩爾斯(Rudolf Ernst Peierls,1907年6月5日-1995年9月19日)德裔英籍物理學家。
  • [4] 這個數字跟現代的估算相差不遠。
  • [5] 理察‧菲利普斯‧費曼(Richard Philips Feynman,1918年5月11日-1988年2月15日),美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [6] 弗雷德里克‧萊因斯(Frederick Reines,1918年3月16日-1998年8月26日),美國物理學家。
  • [7] 小克萊德‧洛蘭‧科溫(Clyde Lorrain Cowan Jr,1919年12月6日-1974年5月24日),美國物理學家。
  • [8] 威廉‧海因里希‧沃爾特‧巴德(Wilhelm Heinrich Walter Baade,1893年3月24日-1960年6月25日),德國天文學家,創造了超新星(supernova)一詞,並推測中子星的存在。
  • [9] 利昂‧馬克斯‧萊德曼(Leon Max Lederman,1922年7月15日-2018年10月3日),美國物理學家。
  • [10] 梅爾文‧施瓦茨(Melvin Schwartz,1932年11月2日-2006年8月28日),美國物理學家
  • [11] 傑克‧施泰因貝格爾(Jack Steinberger,1921年5月25日-),德裔美籍兼瑞士籍物理學家。
  • [12] 馬丁‧路易斯‧佩爾(Martin Lewis Perl,1927年6月24日-2014年9月30日),美國物理學家。

參考資料

  1. Chad Orzel (2019/04/25), “Neutrino Physics And A History Of Impossible Experiments“, Forbes.
  2. S.M. Bilenkya (2013), “Neutrino. History of a unique particle”, Eur. Phys. J. H 38, 345–404.
  3. Los Alamos Science Number 25 1997.
  4. Herbert Pietschmann (2005), “Neutrino – Past, Present and Future”, George Marx Memorial Lecture, Univ. Budapest, May 19, 2005.

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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/

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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