天文太空

隱形微中子之超級變身術

太陽微中子在來到地球的途中,來個「超級變變變」,躲過了這30年來天文學家的偵測。

撰文/張達文(清華大學物理系教授)

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隱形微中子之超級變身術

太陽微中子在來到地球的途中,來個「超級變變變」,躲過了這30年來天文學家的偵測。

撰文/張達文(清華大學物理系教授)

關於微中子振盪
■自1960年代以來,地底實驗所偵測到發自太陽的電子微中子數目遠比理論預測值要小。為什麼會如此?這就是所謂的太陽微中子問題。

■2002年,加拿大「索德柏立微中子觀測站」(SNO)解決了太陽微中子問題。他們發現,這些產生於太陽內部的電子微中子,在到達地球之前,有很多都轉變成了其他類型的微中子,因而躲過了偵測。

■SNO的結果證實了我們對於太陽能量來源的理解是對的。它也意味著長久以來被認為不帶質量的微中子,其實具有質量。粒子物理的標準模型一向非常成功,現在必須修正才能與這個發現相容。


1930年,一群研究放射線的主要物理學家在德國杜賓根開會。那時候物理學界的主流前沿課題是,放射線物質在β衰變中的能量守恆問題。1895年,侖琴(W. C. Rontgen)發現X射線,開始了一連串人類對放射線的新發現;1896年,貝克勒(A. H. Becquerel)發現鈾射線;1897年,拉塞福(E. Rutherford)和湯姆森(J. J. Thomson)發現鈾射線中包含了兩種放射線:α射線及β射線。經過多年的努力,到了1928年,我們已經知道α射線是由氦的原子核所構成,而β射線的成份事實上就是電子。α射線中的氦原子核是有固定能量的,但是1929年物理學家梅特納(L. Meitner)精確的實驗,肯定了β射線中的電子能譜是沒有固定能量的。這就是1930年時大家爭論不休的「能源危機」,而這類會放射出β射線的物質衰變便稱為β衰變。問題是:為什麼在β衰變中能量不見了?


當時,不久前才在量子力學的發展中意氣風發的丹麥大物理學家波耳(N. Bohr),乘勝追擊提出了在β衰變中能量不守恆的觀念。才氣橫溢的德國物理才子包立(W. Pauli)自然不能讓波耳專美,一方面批評波耳的理論,一方面寫封信給梅特納,請她代為轉達給在杜賓根開會的物理學家。「各位親愛的放射性先生女士……」包立如此開場,「請你聽我道來……關於……β衰變的連續能譜,我在絕望之餘撞上了一個解決的辦法……」 接著他開始形容,假設在β衰變中同時釋放出一種實驗看不到的中性粒子,這個粒子會將能量帶走,因此就可以解釋為什麼實驗看到能量不守恆的現象。他說:「我對這個觀念仍然不太放心,因此我尚未發表,而先在此向各位私下表達……不幸我不能親自前來開會,因為我在這裡還有一個舞會跑不開……」這個包立在絕望之餘大膽提出來的中性粒子,就是現在赫赫有名的微中子。


隱形人現身


1934年,兩位新生代的厲害傢伙貝特(H. Bethe)及派爾斯(R. Peierls),決定坐下來算一下微中子在通過物質的時候被碰撞的機會。他們發現,這個出現在β衰變中的奇怪中性粒子,如果真的存在的話,在水中可以通過250光年厚度的純水而不受到碰撞。也就是說,這微中子真是個道道地地的隱形人。這樣一個量不到的傢伙,即使真正存在,又有什麼意義呢?難怪包立後來還為自己發明了這樣一個永遠量不到的粒子而道歉。但是,實驗物理學家的真功夫,是遠遠超過這些理論物理學家想像的。第二次世界大戰之後,曾經協助發展原子彈的兩位實驗物理學家,科文(C. L. Cowan, Jr.)及芮內斯(F. Reines),開始想辦法來測量這個隱形人。方法很簡單,只要製造夠多的微中子讓它們同時與物質碰撞,自然有一些會撞上。使原子彈爆炸的核反應自然會製造大量的微中子,但是,為了測量微中子而引爆原子彈未免冒險太大。1956年,第一個和平用途的原子爐誕生,科文及芮內斯所碰到的難題終於有可能解決。他們利用原子爐所放射出來的微中子,很快就偵測到微中子與物質的碰撞,證實了微中子的存在。芮內斯因此在1995年拿到諾貝爾獎(可惜科文已死)。 1976年有人故意問貝特,為什麼他在1934年說微中子是永遠量不到的?貝特幽默地說:「你本來就不應該相信你在論文中讀到的每一件事情。」




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