【2015年諾貝爾物理獎特別報導】宇宙中的變色龍

【2015年諾貝爾物理獎特別報導】宇宙中的變色龍
科學Online特約編譯 葉承効/ 國立臺灣大學物理學系教授王名儒責任編輯

編譯來源：The chameleons of space

梶田隆章（Takaaki Kajita）與阿瑟•麥克唐納（Arthur B. McDonald）分別身為超級神岡（Super-Kamiokande）與薩德伯里微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory）兩大研究團隊的核心科學家，他們發現了微中子在行進中因震盪作用而改變型態的現象，解開了微中子的謎團，並開創了全新的粒子物理研究領域。

梶田隆章於1998年的研究報告中提出微中子的變態現象。他們藉由蒐集宇宙射線與地球大氣層反應過後所產生的微中子，發覺微中子在由大氣層進入日本的超級神岡探測器的行進過程中會出現味的轉換。

與此同時，在地球的另一端，位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站正在進行來自太陽的微中子研究。由阿瑟•麥克唐納所帶領的研究團隊也在2001年證明微中子的味轉換。

這兩個實驗發現了一個新的現象──微中子震盪。這個創新的實驗結果推翻了長久以來認為微中子不具質量的認知。這不僅是粒子物理學基礎的重要突破，也從根本改變了我們對宇宙的認知。

Nobel Prize®

頑強的英雄們

我們生活在一個充滿微中子的世界。每秒都有上兆的微中子穿透我們的身體，而我們看不到，也不會有任何感覺。微中子以接近光速的方式穿越宇宙，過程中也很少會和其他物質產生反應。那麼，它們是來自何處呢？

有部分的微中子是來自宇宙大爆炸，而宇宙中與地球上的各種反應，從超新星爆炸、大質量恆星的死亡，到核電廠的反應與環境中自然發生的放射現象，都會持續地產生微中子。地球所探測到的微中子大部分都是來自太陽內的核反應。在宇宙中，微中子的數量僅次於光子，是第二多的粒子。

然而，長久以來，微中子的存在一直是個不確定的未知數。事實上，當1945年諾貝爾獎得主奧地利學者沃爾夫岡•泡利（Wolfgang Pauli）提出微中子存在的假設時，主要的內容都僅在嘗試解釋貝他衰變（beta decay）過程中的能量守恆。貝他衰變是一種發生在原子核中的放射性衰變。泡利在1930年12月寫給他的物理學者同事的一封信中提到，他認為衰變中消失的能量可能是由一種很難與外界發生反應且重量極輕的不帶電中性粒子所保存，但是泡利卻很難證明此種粒子的存在。

很快的，1938年諾貝爾獎得主義大利學者恩里科•費米（Enrico Fermi）在他的理論研究中，也談到泡利所提到的這種質量極小的中性粒子，稱為「微中子」。當時沒有人會料到，這個小小的粒子將會掀起粒子物理學與宇宙學的大革命。

真正發現微中子的存在是在25年後的事了。發現的契機是1950年代建造核電廠時，大量的微中子從廠內射出。1956年，美國的物理學家弗雷德里克•萊因斯（Frederick Reines，1995年諾貝爾獎得主）與克萊德•科溫（Clyde Cowan）發了一封電報給泡利，內容是他們在偵測器中發現了微中子的蹤跡。這項發現證明了如鬼魅般的微中子是真正存在的粒子。

獨特的三味存在

今年的諾貝爾物理獎頒給這項解決長久以來的微中子謎團的研究。從1960年代以來，科學家們用理論去計算太陽核反應所產生的微中子數量，但是跟地球上偵測到的微中子數量相比，有將近三分之二的微中子消失了。它們究竟去哪了？

學界對此提出許多假設。或許用來計算太陽如何產生微中子的理論公式是錯的？另外一項假設則是認為太陽微中子謎團的答案在於微中子的三種味──電微中子、緲微中子及濤微中子。每一種微中子都有其相對應的帶電輕子如電子、與電子相似但質量較大且壽命較短的緲子與濤子。太陽只會製造電微中子，如果電微中子在前往地球的過程中會轉變成緲微中子或濤微中子，那麼就可以解釋電微中子消失的現象了。

捕捉地底的微中子

一直到建造於地底的大型研究設施出現前，微中子是否會進行味的轉變都只是種假設。位在地底深處的巨大探測器日以繼夜地收集著微中子，就是為了隔絕宇宙輻射與環境中隨機出現的輻射衰變。至目前為止，要將少數真正的微中子特徵從上兆的錯誤特徵中篩選出來，都是一項艱難的藝術。即使是坑道中的空氣，與探測器的材質，都包含了會產生衰變的稀有元素，進而影響測量的結果。

超級神岡探測器於1996年建造在東京的西北方250公里的一個鋅礦礦坑中，而薩德伯里微中子觀測站則是於1999年建造在安大略的鎳礦礦坑中。這兩個研究設施聯手揭開了微中子的神秘面紗，並獲得今年的諾貝爾獎殊榮。

超級神岡探測器位於地表下1,000公尺的深處，其中包括了一個寬度與高度皆為40公尺的蓄水池，裝著50,000噸的水。在一般的游泳池中，光線可以達到水面下幾公尺，而探測器蓄水池的水非常純淨，光束直到水下70公尺才暈開。蓄水池的上方、兩側與底部有超過11,000架探測器，用來偵測池水中微弱的光線並轉換放大成電訊號以便量測。

有極大量的微中子會穿越蓄水池，而在此過程中，極少部分的微中子會與水中的原子核或電子產生碰撞。這些碰撞會產生帶電的粒子，如緲子來自緲微中子，而電子來自電微中子。在這些帶電的粒子周圍會出現微弱的藍光，稱為「契忍可夫光」( Cherenkov light)。當帶電粒子在介質中的行進速度超越光速時，便會出現這種藍光。這並沒有推翻愛因斯坦的相對論，即真空狀態下，沒有任何物質可以移動得比光快。在水中，光速會降低至最高速度的75%，帶電的粒子可能會移動得更快，由其所發出契忍可夫光的形狀與強度可以顯示帶電粒子的類型，亦即得知是由哪一種微中子所產生，也可以顯示產生的位置。

超級神岡探測器能偵測來自大氣層的微中子。當微中子撞擊水槽中的水分子時，會有機會產生快速帶電的粒子，進而形成光感測器測量到的契忍可夫輻射。契忍可夫輻射光的分布形狀與強度會顯示出該射線是源自何種微中子，以及該微中子來自何處。超級神岡探測器所蒐集到的數據中，來自大氣的緲微中子數量遠多於穿越地球，由下方進入探測器的緲微中子數量。這代表行進距離較長的緲微中子有更多時間進行味的轉換。（Nobel Prize® ［點圖可放大］）

解答一切謎團的恩尼格瑪機(enigma)

在開始運作的前兩年，超級神岡探測器過濾出約5,000個微中子信號。雖然這個數量已經超越過去的實驗結果，但是仍未達到科學家估算宇宙射線所創造出來的數量。宇宙射線的粒子來自宇宙各處，當這些粒子以全速撞擊地球大氣層中的分子時，便會產生微中子雨。

超級神岡探測器從上方的大氣層中蒐集到緲微中子，同時也蒐集到穿過地球，從探測器下方而來的緲微中子。照理來說，從兩邊所蒐集到的微中子數量應該相同，因為穿越地球對微中子而言應該不會有什麼問題。但是超級神岡探測器從天空上方所蒐集到的緲微中子數量，卻遠大於穿過地球，從下方所蒐集到的數量。

這個發現指出移動距離較長的緲微中子有更多的時間進行味的轉換，而來自上方的緲微中子，由於距離只有數十至數百公里，所以沒有出現這樣的狀況。此外，來自上方與下方的電微中子數量如預期般地相符，因此緲微中子必定是轉換成第三種類型──濤微中子。可惜的是超級神岡探測器無法偵測濤微中子所造成的蹤跡。

薩德伯里微中子觀測站能偵測來自太陽的微中子，而太陽只會產生電微中子。微中子與水槽中的重水產生反應，科學家有機會測量到電微中子的訊號，與三種微中子的加總訊號。薩德伯里微中子觀測站所蒐集到的電微中子數量遠不及預期數量，但是三種微中子的總和數量卻與預期的電微中子數量相符。由此可知，電微中子必定已進行味的轉換，成為另一種微中子。（Nobel Prize® ［點圖可放大］）

在解開這個微中子的謎團中，最重要的線索就是來自薩德伯里微中子觀測站測量太陽微中子的新方法。薩德伯里微中子觀測站位於地表下兩公里處，9,500座光感測器架設在裝有1,000噸重水水槽，觀察移動快速的電微中子。重水與一般的水不同，重水的水分子中，氫原子的原子核內會多出一個中子，來創造氘（又稱為「重氫」，為氫的同位素）。

氘中子的存在提供了薩德伯里微中子觀測站另一種觀測微中子的機制，除了原本可量測電微中子的數量外，亦可讓科學家估算三種不同微中子的總量。

由於從太陽而來的應該只有電微中子，因此以上所提到的兩種測量方法應該會有相同的結果。若觀測到的電微中子數量比微中子的總量少，代表從太陽到地球的1億5千萬公里的旅程中，電微中子應該有發生一些轉變。

在地球上，每秒中會有超過600億的微中子通過一平方公分正對太陽的截面積，而薩德伯里微中子觀測站在開始運作的前兩年，每天都只有收集到三個電微中子。這個數據是探測器預期蒐集電微中子數量的三分之一，另外的三分之二則消失了。但令人振奮的是，量測三種微中子的總量恰恰符合預期的電微中子量，這證明了電微中子在到達地球的過程中一定有產生味轉變。

量子世界的變態

這兩個實驗肯定了微中子是否會進行味轉換的假設，啟發許多新的實驗，同時也強迫粒子物理學接受新的思維模式。

這兩個實驗提供了突破性的結論：微中子的變態證明了微中子一定具有質量才會在行進中進行味轉換。然而，這種變態是如何產生的？

量子物理學為這個研究提供了論述基礎。在量子世界中，粒子跟波是相同物理現象的兩個面向。我們可以用符合特定頻率的波來表示包含特定能量的粒子。對於量子物理學而言，電微中子、緲微中子與濤微中子可以用符合不同質量的微中子型態的疊加波型加以呈現。

波型相似時，就無法分辨微中子型態間的差異。但是微中子在穿越宇宙時，波型便會出現差異性，波的疊加也會不同。特定地點的疊加現象會產生最有可能在當地發現的微中子類型。每個地點的可能性都不同，微中子會因震盪而產生味的轉換。

這種罕見的模式來自於微中子的質量差異。實驗結果指出微中子的質量差異非常小。即使尚未直接測量微中子的質量，但是估計微中子的質量也是極小。由於宇宙中充斥著大量的微中子，因此這些微小個體的總量就變得非常重要。所有微中子的重量總和估計等同於所有宇宙中可看到的星體重量總和。

新物理學的大門

微中子具有質量的發現是粒子物理學的突破性發展。既有的標準模型對於所有物體的核心結構已有偉大的成就，在過去的20多年來，也成功化解了所有實驗的挑戰。但是標準模型是建立在微中子零質量的基礎上。這兩個實驗呈現了標準模型的一個大缺陷。顯而易見的，標準模型已經不再是解釋宇宙基本構造的萬有理論。

在建構出如同標準模型這樣完整的理論前，許多關於微中子本質的關鍵問題仍需要獲得解答。什麼使微中子具有質量？為什麼它們的質量這麼小？除了已知的三種類型外，微中子是否還有其他型態？微中子是否就是自己的反粒子？為什麼他們和其他的基本粒子有相當大的差異？

今年榮獲諾貝爾物理獎的發現已經為人類至今幾乎一無所知的微中子世界，提供了關鍵的研究方向。實驗會繼續進行，世界各地也將有許多大型研究來蒐集並檢測微中子的特性。我們期待未來會有許多新的微中子研究，能揭開微中子的神秘面紗，改變我們對與宇宙歷史、結構與未來命運的理解。