【2015年诺贝尔物理奖特别报导】宇宙中的变色龙

【2015年諾貝爾物理獎特別報導】宇宙中的變色龍

编译来源:The chameleons of space

梶田隆章(Takaaki Kajita)与阿瑟•麦克唐纳(Arthur B. McDonald)分别身为超级神冈(Super-Kamiokande)与萨德伯里微中子观测站(Sudbury Neutrino Observatory)两大研究团队的核心科学家,他们发现了微中子在行进中因震荡作用而改变型态的现象,解开了微中子的谜团,并开创了全新的粒子物理研究领域。

梶田隆章于1998年的研究报告中提出微中子的变态现象。他们藉由蒐集宇宙射线与地球大气层反应过后所产生的微中子,发觉微中子在由大气层进入日本的超级神冈探测器的行进过程中会出现味的转换。

与此同时,在地球的另一端,位于加拿大的萨德伯里微中子观测站正在进行来自太阳的微中子研究。由阿瑟•麦克唐纳所带领的研究团队也在2001年证明微中子的味转换。

这两个实验发现了一个新的现象──微中子震荡。这个创新的实验结果推翻了长久以来认为微中子不具质量的认知。这不仅是粒子物理学基础的重要突破,也从根本改变了我们对宇宙的认知。

【2015年诺贝尔物理奖特别报导】宇宙中的变色龙

Nobel Prize®

顽强的英雄们

我们生活在一个充满微中子的世界。每秒都有上兆的微中子穿透我们的身体,而我们看不到,也不会有任何感觉。微中子以接近光速的方式穿越宇宙,过程中也很少会和其他物质产生反应。那幺,它们是来自何处呢?

有部分的微中子是来自宇宙大爆炸,而宇宙中与地球上的各种反应,从超新星爆炸、大质量恆星的死亡,到核电厂的反应与环境中自然发生的放射现象,都会持续地产生微中子。地球所探测到的微中子大部分都是来自太阳内的核反应。在宇宙中,微中子的数量仅次于光子,是第二多的粒子。

然而,长久以来,微中子的存在一直是个不确定的未知数。事实上,当1945年诺贝尔奖得主奥地利学者沃尔夫冈•泡利(Wolfgang Pauli)提出微中子存在的假设时,主要的内容都仅在尝试解释贝他衰变(beta decay)过程中的能量守恆。贝他衰变是一种发生在原子核中的放射性衰变。泡利在1930年12月写给他的物理学者同事的一封信中提到,他认为衰变中消失的能量可能是由一种很难与外界发生反应且重量极轻的不带电中性粒子所保存,但是泡利却很难证明此种粒子的存在。

很快的,1938年诺贝尔奖得主义大利学者恩里科•费米(Enrico Fermi)在他的理论研究中,也谈到泡利所提到的这种质量极小的中性粒子,称为「微中子」。当时没有人会料到,这个小小的粒子将会掀起粒子物理学与宇宙学的大革命。

真正发现微中子的存在是在25年后的事了。发现的契机是1950年代建造核电厂时,大量的微中子从厂内射出。1956年,美国的物理学家弗雷德里克•莱因斯(Frederick Reines,1995年诺贝尔奖得主)与克莱德•科温(Clyde Cowan)发了一封电报给泡利,内容是他们在侦测器中发现了微中子的蹤迹。这项发现证明了如鬼魅般的微中子是真正存在的粒子。

独特的三味存在

今年的诺贝尔物理奖颁给这项解决长久以来的微中子谜团的研究。从1960年代以来,科学家们用理论去计算太阳核反应所产生的微中子数量,但是跟地球上侦测到的微中子数量相比,有将近三分之二的微中子消失了。它们究竟去哪了?

学界对此提出许多假设。或许用来计算太阳如何产生微中子的理论公式是错的?另外一项假设则是认为太阳微中子谜团的答案在于微中子的三种味──电微中子、缈微中子及涛微中子。每一种微中子都有其相对应的带电轻子如电子、与电子相似但质量较大且寿命较短的缈子与涛子。太阳只会製造电微中子,如果电微中子在前往地球的过程中会转变成缈微中子或涛微中子,那幺就可以解释电微中子消失的现象了。

捕捉地底的微中子

一直到建造于地底的大型研究设施出现前,微中子是否会进行味的转变都只是种假设。位在地底深处的巨大探测器日以继夜地收集着微中子,就是为了隔绝宇宙辐射与环境中随机出现的辐射衰变。至目前为止,要将少数真正的微中子特徵从上兆的错误特徵中筛选出来,都是一项艰难的艺术。即使是坑道中的空气,与探测器的材质,都包含了会产生衰变的稀有元素,进而影响测量的结果。

超级神冈探测器于1996年建造在东京的西北方250公里的一个锌矿矿坑中,而萨德伯里微中子观测站则是于1999年建造在安大略的镍矿矿坑中。这两个研究设施联手揭开了微中子的神秘面纱,并获得今年的诺贝尔奖殊荣。

超级神冈探测器位于地表下1,000公尺的深处,其中包括了一个宽度与高度皆为40公尺的蓄水池,装着50,000吨的水。在一般的游泳池中,光线可以达到水面下几公尺,而探测器蓄水池的水非常纯净,光束直到水下70公尺才晕开。蓄水池的上方、两侧与底部有超过11,000架探测器,用来侦测池水中微弱的光线并转换放大成电讯号以便量测。

有极大量的微中子会穿越蓄水池,而在此过程中,极少部分的微中子会与水中的原子核或电子产生碰撞。这些碰撞会产生带电的粒子,如缈子来自缈微中子,而电子来自电微中子。在这些带电的粒子周围会出现微弱的蓝光,称为「契忍可夫光」( Cherenkov light)。当带电粒子在介质中的行进速度超越光速时,便会出现这种蓝光。这并没有推翻爱因斯坦的相对论,即真空状态下,没有任何物质可以移动得比光快。在水中,光速会降低至最高速度的75%,带电的粒子可能会移动得更快,由其所发出契忍可夫光的形状与强度可以显示带电粒子的类型,亦即得知是由哪一种微中子所产生,也可以显示产生的位置。

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超级神冈探测器能侦测来自大气层的微中子。当微中子撞击水槽中的水分子时,会有机会产生快速带电的粒子,进而形成光感测器测量到的契忍可夫辐射。契忍可夫辐射光的分布形状与强度会显示出该射线是源自何种微中子,以及该微中子来自何处。超级神冈探测器所蒐集到的数据中,来自大气的缈微中子数量远多于穿越地球,由下方进入探测器的缈微中子数量。这代表行进距离较长的缈微中子有更多时间进行味的转换。(Nobel Prize® [点图可放大])

解答一切谜团的恩尼格玛机(enigma)

在开始运作的前两年,超级神冈探测器过滤出约5,000个微中子信号。虽然这个数量已经超越过去的实验结果,但是仍未达到科学家估算宇宙射线所创造出来的数量。宇宙射线的粒子来自宇宙各处,当这些粒子以全速撞击地球大气层中的分子时,便会产生微中子雨。

超级神冈探测器从上方的大气层中蒐集到缈微中子,同时也蒐集到穿过地球,从探测器下方而来的缈微中子。照理来说,从两边所蒐集到的微中子数量应该相同,因为穿越地球对微中子而言应该不会有什幺问题。但是超级神冈探测器从天空上方所蒐集到的缈微中子数量,却远大于穿过地球,从下方所蒐集到的数量。

这个发现指出移动距离较长的缈微中子有更多的时间进行味的转换,而来自上方的缈微中子,由于距离只有数十至数百公里,所以没有出现这样的状况。此外,来自上方与下方的电微中子数量如预期般地相符,因此缈微中子必定是转换成第三种类型──涛微中子。可惜的是超级神冈探测器无法侦测涛微中子所造成的蹤迹。

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萨德伯里微中子观测站能侦测来自太阳的微中子,而太阳只会产生电微中子。微中子与水槽中的重水产生反应,科学家有机会测量到电微中子的讯号,与三种微中子的加总讯号。萨德伯里微中子观测站所蒐集到的电微中子数量远不及预期数量,但是三种微中子的总和数量却与预期的电微中子数量相符。由此可知,电微中子必定已进行味的转换,成为另一种微中子。(Nobel Prize® [点图可放大])

在解开这个微中子的谜团中,最重要的线索就是来自萨德伯里微中子观测站测量太阳微中子的新方法。萨德伯里微中子观测站位于地表下两公里处,9,500座光感测器架设在装有1,000吨重水水槽,观察移动快速的电微中子。重水与一般的水不同,重水的水分子中,氢原子的原子核内会多出一个中子,来创造氘(又称为「重氢」,为氢的同位素)。

氘中子的存在提供了萨德伯里微中子观测站另一种观测微中子的机制,除了原本可量测电微中子的数量外,亦可让科学家估算三种不同微中子的总量。

由于从太阳而来的应该只有电微中子,因此以上所提到的两种测量方法应该会有相同的结果。若观测到的电微中子数量比微中子的总量少,代表从太阳到地球的1亿5千万公里的旅程中,电微中子应该有发生一些转变。

在地球上,每秒中会有超过600亿的微中子通过一平方公分正对太阳的截面积,而萨德伯里微中子观测站在开始运作的前两年,每天都只有收集到三个电微中子。这个数据是探测器预期蒐集电微中子数量的三分之一,另外的三分之二则消失了。但令人振奋的是,量测三种微中子的总量恰恰符合预期的电微中子量,这证明了电微中子在到达地球的过程中一定有产生味转变。

量子世界的变态

这两个实验肯定了微中子是否会进行味转换的假设,启发许多新的实验,同时也强迫粒子物理学接受新的思维模式。

这两个实验提供了突破性的结论:微中子的变态证明了微中子一定具有质量才会在行进中进行味转换。然而,这种变态是如何产生的?

量子物理学为这个研究提供了论述基础。在量子世界中,粒子跟波是相同物理现象的两个面向。我们可以用符合特定频率的波来表示包含特定能量的粒子。对于量子物理学而言,电微中子、缈微中子与涛微中子可以用符合不同质量的微中子型态的叠加波型加以呈现。

波型相似时,就无法分辨微中子型态间的差异。但是微中子在穿越宇宙时,波型便会出现差异性,波的叠加也会不同。特定地点的叠加现象会产生最有可能在当地发现的微中子类型。每个地点的可能性都不同,微中子会因震荡而产生味的转换。

这种罕见的模式来自于微中子的质量差异。实验结果指出微中子的质量差异非常小。即使尚未直接测量微中子的质量,但是估计微中子的质量也是极小。由于宇宙中充斥着大量的微中子,因此这些微小个体的总量就变得非常重要。所有微中子的重量总和估计等同于所有宇宙中可看到的星体重量总和。

新物理学的大门

微中子具有质量的发现是粒子物理学的突破性发展。既有的标準模型对于所有物体的核心结构已有伟大的成就,在过去的20多年来,也成功化解了所有实验的挑战。但是标準模型是建立在微中子零质量的基础上。这两个实验呈现了标準模型的一个大缺陷。显而易见的,标準模型已经不再是解释宇宙基本构造的万有理论。

在建构出如同标準模型这样完整的理论前,许多关于微中子本质的关键问题仍需要获得解答。什幺使微中子具有质量?为什幺它们的质量这幺小?除了已知的三种类型外,微中子是否还有其他型态?微中子是否就是自己的反粒子?为什幺他们和其他的基本粒子有相当大的差异?

今年荣获诺贝尔物理奖的发现已经为人类至今几乎一无所知的微中子世界,提供了关键的研究方向。实验会继续进行,世界各地也将有许多大型研究来蒐集并检测微中子的特性。我们期待未来会有许多新的微中子研究,能揭开微中子的神秘面纱,改变我们对与宇宙历史、结构与未来命运的理解。

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