見微知著 微中子探索宇宙起源——《臺大科學家的研究故事》

2011 年、中華民國建國百年，臺大天文物理研究所教授陳丕燊，率領「天壇陣列」（Askaryan Radio Array，ARA）微中子天文臺研究計畫團隊登上南極，此行目的是安裝由臺灣主導的 ARA 國際合作研究計畫第一座天線臺；這是中華民國百年來首次在南極進行的科學研究，正好遇上人類首次抵達南極點百年紀念，陳丕燊在那裡插上親自手繪的中華民國國旗，讓它飄揚在−40˚C 南極蒼穹下，寫下我國天文研究新頁。

「天壇陣列」之鑿冰設備遠看好像一個沙漠中的駱駝商隊。設備上臺大校徽及梁次震中心（LeCosPA）徽章均清晰可見。圖／台大出版中心提供

南極研究　透過微中子探索宇宙

陳丕燊 2007 年返臺任教，在此之前，他於史丹佛大學主導「捕捉宇宙微中子計畫」，即透過「南極脈衝瞬態陣列」（Antarctic Impulsive Transient Antenna，ANITA）探測器，以熱氣球偵測南極洲冰層表面微中子所產生的訊號；返臺後，他把ANITA 計畫也帶回來；此外，他並進一步與國際有共同理想的學者發表白皮書，促成「天壇陣列」ARA 計畫，臺大團隊在這項跨國研究計畫中位居領導地位。

這兩項計畫利用南極洲巨大冰層作為阻擋超高能微中子的靶，來捕捉外太空進來的宇宙微中子，希望找到超高能 GZK 微中子，藉此回推極高能微中子方向，探索宇宙起源；並希望能蒐集到大量微中子數據，探究電子微中子、緲子微中子、濤子微中子三者之間，除了振盪，是否會衰變，對高能物理能有進一步貢獻。

陳丕燊教授。圖／台大出版中心提供

聽見來自宇宙的聲音

陳丕燊解釋，當超高能微中子穿入南極冰層，在冰層與原子核作用後，會產生正負電子對（electron-positron pair）；在連鎖反應下，正負電子對一分為二、二分為四，造成十億、百億個正負電子對，沿著最初微中子自宇宙來到地球路徑，以接近光速速率前進，這種現象稱為「簇射」（shower）。

「簇射」在冰層中前進時，正子若與其他原子核碰撞，可能變成光後消失，電子則繼續前進；這種「簇射」移動、大規模正負電子對一路往前衝時，如同土石流，將沿岸巨石、樹木、連同沿途原子裡的電子通通帶走，到下游時電子數量比正子多了約 20%，使得原本中性的簇射發展成一帶電體；當此一帶電體在冰層以接近光速前進時，會發出「切仁可夫輻射」（Cherenkov radiation）。透過切仁可夫輻射的無線電波頻段，科學家可以「聽見」微中子在冰層中發出的訊號。

然而，ANITA 計畫以熱氣球從空中偵測微中子訊號，易受雜訊干擾，且在南極氣候影響下，無法全年偵測；回臺後，陳丕燊將探測方式轉向地下，以便終年都可進行微中子訊號探測。目前這兩項研究都在進行中，ANITA 已成功執行三次飛行任務，預計 2016 年底將執行第四次任務（ANITA-IV）；ARA也已完成三座天線站，其中兩座完全由臺大團隊打造的天線站架設，運行兩年半來從未故障，雖然離架設 37 座目標還有段距離，但陳丕燊認為，臺大團隊的表現在國際上有目共睹，已獲多方肯定。一心要把臺灣帶進宇宙學領域的陳丕燊，其實本來並非出身宇宙學；他自臺大物理系畢業，直至美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）博士班，均攻讀高能物理；陳丕燊說，高能物理自二戰以來蓬勃發展，「當時最年輕有為的物理學者，幾乎都在鑽研高能物理」，他也不例外； 在UCLA 陳丕燊師承高能物理學大師櫻井純（J. J. Sakurai），並與指導教授共同發表四篇國際期刊，研究成績卓越。但是櫻井教授在他拿到學位前突然過世，帶給他極大衝擊，當時他讀到《科學》（Science）期刊一篇專欄〈高能物理的未來〉（The Future of High Energy Physics）文章提到，高能物理加速器機制若不改進，將來想提高能量，長度勢必無止盡增長，有朝一日恐怕得繞地球一周，才能蓋一個加速器。這個看法引發陳丕燊深刻的省思，他認為這個預測雖不中、亦不遠矣。看當前全世界唯一、最大的加速器在瑞士，圓周已達 27 公里，如果要再加高能量，勢必得再擴大半徑；而該文也提到，當時兩位科學家提出新加速機制，即結合電漿與高能物理，利用電漿（plasma）來加速粒子；先將雷射光打到電漿裡，讓電漿產生像波浪一樣的振盪，波浪會強行將電漿中的正負離子分離，而產生很強的電場，再打進高能粒子，透過電場讓粒子加速到很高能量。

在南極研究時，劉宗哲博士在研究基地附近拍攝到企鵝。圖／台大出版中心提供

這段敘述引發陳丕燊濃厚的興趣，他發現這兩位科學家之一恰是他統計力學教授 John M. Dawson；正有意轉換跑道的他，便迫不及待地前往請教，相談十多分鐘，Dawson 教授即熱情邀請他到自己研究室進行博士後研究。陳丕燊將信將疑，心想：Dawson 教授專精的是電漿物理，與自己鑽研的高能物理截然不同，他能做什麼？他委婉地報告Dawson 教授：「等離子、電漿物理跟我所學的完全不同，我不確定能不能勝任。」Dawson教授鼓勵他可以邊做邊學，「你既然是櫻井教授的學生，一定辦得到。」就這樣，陳丕燊抱持改良高能物理加速機制的熱忱，轉進電漿物理領域。

發現尾隨場加速機制

從高能物理轉到電漿物理，陳丕燊從零開始；「小組討論時，連博士後、學生講的，我全聽不懂，壓力很大！」他說，國外學術研究競爭白熱化的程度，形同割喉戰，「你不前進？馬上被刷掉，非常慘烈。」陳丕燊每天一早醒來，壓力便如影隨形，讓他苦不堪言。

陳丕燊咬緊牙、拚命一年後，即和 Dawson 教授共同發表論文，提出電漿物理的第二種加速機制，即「尾隨場加速機制（plasma wakefield acceleration）」；是指高能電子束穿過電漿時，因為振盪分離出帶正電的質子與帶負電的電子，兩者產生一種電場，稱為「尾隨場」。陳丕燊舉汽艇航行掀起白色浪花為例，由於汽艇驚擾了水面，造成水分子上下振盪而產生浪花，像一條彩帶，「尾隨」在汽艇後面；但水分子並不會隨汽艇移動，待汽艇離開後，水分子會在原地慢慢恢復平靜。若將水換成電漿，汽艇視為打進電漿裡的一團高能電子束，電子束通過時，會在流體產生振盪，帶正電的質子比電子重，所以移動幅度較小；反觀帶負電的電子則運動激烈，因此，一旦高能電子束打進電漿，會使電子脫離身旁帶正電的質子而產生尾隨場。物理上，若將電子和質子拆開來，兩者之間會產生一庫倫電力；因此，當高能電子束被打進電漿後，產生的振盪強行分離質子和電子，產生的電場很大，可以拿來讓粒子迅速地加速到很高的能量。這個理論是電漿物理學界一大創新，後來尾隨場加速機制和原提出的電漿加速機制，同被列為國際同儕兩大電漿加速機制，陳丕燊也儼然成為尾隨場加速機制領域的開山祖之一。理論上，尾隨場加速機制的加速電場強度，要比現在瑞士歐洲核子研究組織加速器高上一千倍，同樣一公里，用電漿尾隨場加速機制可讓粒子加速到目前能量一千倍，這對高能物理研究有極大助益。陳丕燊強調，物理作為實證科學，唯有透過實驗來檢驗理論真偽，他盼望有朝一日，尾隨場加速機制的實際應用，能突破高能加速器建造的局限。

《臺大科學家的研究故事 5》書籍簡介

張錦華 策劃、李淑娟 主編

2015年12月出版

13項頂尖的研究發現，14個科學人的人生故事。

現今當紅的物理學前沿是什麼？從宇宙起源到高能物理，臺灣如何參與世界頂尖的研究？鳥類除了會合作孵育幼雛之外，竟然還有自己的方言？臺灣身為水果王國，農家要如何盡早預防蟲害，讓產業轉型成為科學農業？全球蜜蜂神祕消失的背後原因究竟為何？糖尿病患者的年齡逐漸下探，與兒童的肥胖有關？

本書收錄了享譽國際的十三項研究發現，透過深入探訪的報導，我們得以知道科學家如何帶領團隊、如何做研究、如何解決問題與困難，讓我們了解他們一路走來的心路歷程，一窺其內心深處的熱情與執著。細細品味書中的內容，可以發現這些科學研究不只是距離遙遠的學術論著，而是與生活息息相關的智慧結晶；其背後的故事不僅能打動人心，也讓我們能從中獲得值得仿效的處事之道。

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