物理

微中子最前線

在美國費米實驗室,粒子粉碎之後「風味」丕變

撰文/阿爾珀特(Mark Alpert)
翻譯/宋宜真

物理

微中子最前線

在美國費米實驗室,粒子粉碎之後「風味」丕變

撰文/阿爾珀特(Mark Alpert)
翻譯/宋宜真

1983年,美國伊利諾州巴達維亞費米國家實驗室的研究人員,在世界最強大的粒子對撞機「正負質子對撞機」(Tevatron)中,以高能同時粉碎質子和反質子,來探索次原子的世界。然而,就在明年,最先進的高能物理實驗先鋒,就要移師到歐洲了:瑞士日內瓦附近的「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider, LHC)即將開始運轉,而其威力更勝一籌。費米實驗室打算在2010年讓Tevatron停止運轉,不過,這部機器並不會面臨拆解的命運,實驗室的工作人員已經擬定出一個極具野心的計畫,打算將對撞機其中的某些部份,拿來協助一個大有可為的研究方案:研究謎樣般的微中子。而它怪異的性質或許能夠提供一些線索,找出物理的新定律。

「微中子」(neutrino)由物理學家費米(Enrico Fermi)所命名,意思是「中性的小東西」,而該實驗室以費米為名則是名副其實。微中子有三種類型,或是說有三種風味(flavor)。最常見的是電子微中子,太陽的核反應會製造出大量的電子微中子(其他兩種風味則是緲子微中子和τ微中子)。由於微中子不帶電,只會經由弱核力和重力與其他粒子發生作用,因此它們實際上能夠自由穿透物質,而且要探測簡直難上加難。不久之前,大部份的科學家才認為微中子不具重量,但是在1990年代末期,研究人員發現這些粒子在旅途中會改變風味,而這種改變發生的條件,就是它們必須具有質量。

量子理論預測,這些改變應該是以一種振盪的週期在發生,所以物理學家目前正嘗試去測量微中子風味變換的頻率,以及每次變換發生的可能性。前述實驗是消極地觀測創生於太陽內部或是地球大氣層的微中子,而費米實驗室的研究人員則決定以Tevatron中的質子加速器,來製造極強的微中子射束(高能質子撞擊到鈹靶會製造出π介子,進而在衰變時產生微中子)。2002年,研究人員開始朝半公里外的巨大圓形水箱,發射緲子微中子射束。這個寬12公尺的水箱名為「迷你升能器微中子實驗」(MiniBooNE)探測器,裝載了800公噸的礦物油以及1500個光電倍增管,而這些倍增管只會識別微中子與礦物油發生反應時所發生的閃光。MiniBooNE團隊目前正對三年來蒐集到的資料進行分析,以判別有多少粒子在飛行期間轉換成了電子微中子。

2005年,研究人員則開始進行「主注入器微中子振盪搜尋」(MINOS)的實驗,它橫越735公里,朝著北明尼蘇達州廢棄的蘇旦鐵礦井中一個巨大的偵測器,發射出更具威力的緲子微中子射束(遙遠的距離讓粒子有更多時間產生振盪)。今年3月,MINOS的科學家表示,只有一半的緲子微中子符合預期地抵達蘇旦偵測器,因此剩下的應該是在旅途中變了風味。這個結果和稍早日本的「筑波射至神岡實驗」(K2K)的結果相符,該實驗的研究對象,為筑波高能研究所的實驗室所發射出的緲子微中子。

費米實驗室的科學家目前正在設計一個「主注入器之微中子V-A交互作用實驗」(MINERvA),藉由研究微中子與原子核的交互作用,將會使得MINOS的測量結果更準確。科學家也已經開始計畫一項稱為「主注入器離軸微中子束中之電子微中子出現實驗」(NOvA)的研究,會將另一個大型偵測器置放於北明尼蘇達州,以追蹤MINOS射束中振盪的電子微中子。

由於大部份的微中子偵測器都只用來標定一種風味,因此沒有任何一個實驗能夠獨立測量所有振盪的參數。還好,日本類似的研究,可以彌補美國研究成果的不足。為了增加他們成功的機會,費米實驗室的工程師便竭盡所能,運用加速器來讓MINOS射束的功率達到最高,而這樣一來,便進一步提高了微中子在偵測器中交互作用的數量。Tevatron關閉之後,實驗室更打算重新裝配目前用來製造和儲存反質子的設備,更進一步提高射束的功率。

科學家深深著迷於微中子振盪,因為這些現象所揭示的現象,很可能超出標準模型(非常成功卻仍舊不完全的粒子物理理論)所能解釋的範圍。舉例來說,MiniBooNE的結果或許能確認第四種微中子(又稱惰性微中子)的存在,它並不遵從弱力,但可能和一種未知的全新作用力有關。MiniBooNE團隊的凡得沃特(Richard Van de Water)說:「微中子是最不被了解的粒子之一。如果大自然中還有我們不知道的物理,那最好的隱身之處便是微中子。」

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2006年第55期9月號】