物理

緝捕超高能微中子

數十個超高能微中子 穿越了大半個宇宙, 落入「冰塊」偵測器裡。 這些遠來的信差或許 可以幫忙解答某些長久以來、 懸而未決的宇宙難題。

撰文/郝爾琛(Francis Halzen)
翻譯/李沃龍

物理

緝捕超高能微中子

數十個超高能微中子 穿越了大半個宇宙, 落入「冰塊」偵測器裡。 這些遠來的信差或許 可以幫忙解答某些長久以來、 懸而未決的宇宙難題。

撰文/郝爾琛(Francis Halzen)
翻譯/李沃龍


-重點提要-

■「冰塊」(IceCube)是埋在南極冰層裡用來捕捉微中子的粒子偵測器。微中子通常直接穿越物體,但偶爾會撞上冰裡的原子,而產生「冰塊」可偵測到的訊號。

■此計畫已發現了數十個前所未見、超高能量的微中子,其中有許多很可能源自遙遠太空發生的宇宙劇變事件。

■追溯這些超高能微中子,我們得以研究那些遙遠神秘事件的本質,試圖找到那些來自遙遠太空、不斷轟擊地球的宇宙射線的詭異源頭。


「冰塊」(IceCube)是地球上最雄心壯志的極限實驗之一,於2010年在南極展開了。這座埋在極區冰層底下的巨大粒子偵測器,專門用來捕捉行蹤隱匿的超高能微中子──幾乎可直接穿越每一種物質的基本粒子。我是這項計畫的主持人,本計畫的首要目標是透過微中子來研究遙遠的宇宙現象,特別是神秘高能事件,它會產生宇宙射線這類持續轟擊地球的帶電粒子。


我們預估「冰塊」只能偶爾捕捉到這些超高能微中子;這些粒子幾乎不具質量,也不帶任何電荷(這就是為何它鮮少與其他粒子交互作用的原因),並以接近光速行進。無論它們來自地球鄰近區域或極遙遠處,一旦到達地球,多半不會停下腳步、流連徘徊;而是高速穿透我們的行星,繼續未完的旅程。因為這些難處,在這實驗的最初幾年、偵測器還在興建時,我們一點也不盼望蒐集到的數據會有任何驚人的發現。但在2012年,情況突然改觀。


有一天,在例行會議中,我們的螢幕突然出現了前所未見的圖案。訊號顯示我們捕捉到兩個微中子,能量超過粒子加速器曾產生的最高能微中子的1000倍,更是太陽發射的一般微中子的10億倍左右;它們顯然來自離地球遙遠處、某個壯觀的高能過程。當我們理解到自已正在目擊某個不尋常事件時,整間會議室立即滿溢興奮之情。在萬分驚喜的當下,我們的一名研究生以電視影集「芝麻街」的角色,暱稱這兩個粒子為「伯特」(Bert)與「爾尼」(Ernie)。這些名字不僅有趣,也遠比我們通常分配給微中子事件的一長串數字名稱更容易記憶。


在花費一整年並重新以全新方式分析該數據後,我們終於有信心認定它們確實如前述,是首度關於遙遠微中子宇宙圖像的第一筆線索。自那時起,我們總共發現了54個超高能微中子,許多仍以「芝麻街」的角色命名,其中稱為「大鳥」(Big Bird)的粒子,能量比「伯特」或「爾尼」還高兩倍。


我們目前正致力確認這些微中子的來源和形成機制。可能的源頭有超新星,以及其他稱為γ射線爆發的恆星爆炸;這兩類現象均被認為能產生宇宙射線。假如我們能藉由追溯微中子而找到這些宇宙射線的源頭之一,將能夠展開全新的研究,推論製造出這些粒子的極端事件,並理解背後的物理學。


當宇宙射線遇上光子


從太空持續不斷轟擊地球的宇宙射線,是由極高能光子與其他帶電粒子組成。科學家發現它們迄今已經超過一個世紀了,但對它們的形成機制仍一無所知。當它們抵達地球,我們便完全無法追溯其源頭位於何方,因為它們帶有電荷,通過星系和星系際磁場會改變其行進方向。不過幸運的是,理論認為宇宙射線會在其誕生地與光子交互作用,而產生微中子。


和宇宙射線不同的是,微中子確實會透露自己從何而來。由於它們鮮少與其他物質交互作用,因此幾乎沒有任何物質可改變它們的路徑。雖然宇宙射線無法帶領我們追溯其起源,它們產生的超高能微中子卻可代勞。


當然,即使天文學家對於宇宙射線的起源有一些頭緒,我們仍需要實際數據來證實或排除某些可能性。宇宙射線的源頭之一可能是大質量恆星垂死前的痛苦掙扎。在大型恆星的臨終時刻,核心再也無法維持所擁有的質量時,就會塌縮成所謂的中子星這類緻密天體,或是形成更緻密而沒有任何物質可逃脫的黑洞。除了製造出極猛烈的亮光(超新星),塌縮過程可能經由衝擊波的型式,把大量的重力位能用於加速粒子。早在1934年,天文學家巴德(Walter Baade)與茲維基(Fritz Zwicky)就已猜測超新星可能是宇宙射線的源頭之一;80年後,這假說依然備受爭議:在銀河系裡,每世紀約發生三次超新星爆發事件,把恆星的部份質量轉化成加速粒子的燃料,因而造成星系裡宇宙射線的穩流(steady flow)。


一般來說,源自銀河系外的宇宙射線,能量比來自地球鄰近區域的更高,因此其源頭能量必定更加強大,來源之一可能是γ射線爆發。比起一般超新星,神秘的γ射線爆發甚至更耀眼,可能涉及某些超大質量的恆星在極端條件下引發恆星的一種特殊塌縮。


活躍星系核(active galactic nuclei)可能是銀河系外宇宙射線的源頭之一。根據理論推測,在這類星系的中心處有可吸引大量物質的超大質量黑洞。當物質墜入這種黑洞時,某些粒子的行進方向可能會向外偏折,並加速至極高速度而成為宇宙射線。


捕捉微中子


「冰塊」實驗必須具備極大型的偵測器,才能偵測到源自那種高能過程的宇宙射線產生的微中子。我們使用位在南極地表下1.5公里處、已形成10萬年之久、一立方公里大小的整塊冰層,來執行這項實驗。冰是最佳的天然微中子偵測器,當微中子偶爾與冰裡的原子交互作用時,會釋出一連串放射出藍光的帶電粒子而發亮。這種所謂的切侖科夫輻射,能在純淨且晶瑩剔透的冰裡行進數百公尺。在整座「冰塊」的主體內,總共裝設了5160具光學感測器來偵測這種發光現象。


當單一微中子撞擊「冰塊」時,感測器可精細描繪出由原子核產生的發光現象。此圖案可顯現微中子的型態(或稱「風味」)、能量與行進方向。「爾尼」、「伯特」和目前已經偵測到的其他微中子,能量在1PeV左右(1PeV為1000兆電子伏特,即1015eV);「爾尼」與「伯特」分別是1.07PeV及1.24PeV。相較之下,位在瑞士日內瓦附近、世界上最強大的粒子加速器「大強子對撞機」(LHC)產生的粒子束,能量也只有數TeV而已(1TeV為一兆電子伏特,即1012eV),大約低了三個數量級(103)。毫無疑問,它們是有史以來發現過的超高能微中子。「爾尼」或「伯特」製造出的發光現象大約是由10萬個光子構成,長度超過500公尺,相當於城市裡六個街區的距離。


更重要的是,這兩個微中子的PeV等級能量告訴我們,它們必定是某種宇宙訊號之一,因為能量實在太大,絕不可能是在地球鄰近區域產生。局部區域產生的微中子是能量低的尋常粒子,「冰塊」實驗每六分鐘就能偵測到由宇宙射線與地球大氣裡的氫或氧原子核交互作用產生的一個微中子。由於這些微中子是在我們周遭區域裡產生的,完全無法告訴我們關於宇宙射線或其他天文物理現象本質的任何資訊。我們必須過濾掉這些能量低的訊號,才能夠偵測到超高能微中子。從以往的經驗,我們已經知道普通微中子產生的發光模式,因此很容易就可排除它們。


我們非常確定「冰塊」偵測到的PeV等級微中子必定來自遙遠的宇宙,這些超高能微中子非常可能就是來自宇宙射線的起源。但可能仍有其他更詭異的源頭可用來解釋這些粒子,有個說法指出它們或許是暗物質的訊號,這些不可見的物質似乎佔了宇宙所有物質的80%以上。假如暗物質是由非常重的粒子構成,平均壽命比目前的宇宙年齡還長,那麼這個說法的確有可能。根據這樣的理論,暗物質粒子偶爾會衰變,而產生我們偵測到的PeV等級微中子。