天文太空

從冰層探尋暢行宇宙的微中子

微中子這種質量極小又不帶電的粒子,幾十年來讓想探測它的科學家傷透腦筋。現在,科學家決定好好利用冰天雪地的南極,來捕捉微中子!

撰文/郭雅欣
審稿/陳丕燊(台灣大學物理系暨天文物理所教授)
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天文太空

從冰層探尋暢行宇宙的微中子

微中子這種質量極小又不帶電的粒子,幾十年來讓想探測它的科學家傷透腦筋。現在,科學家決定好好利用冰天雪地的南極,來捕捉微中子!

撰文/郭雅欣
審稿/陳丕燊(台灣大學物理系暨天文物理所教授)
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  恆星內部的核反應、超新星爆發等都會產生微中子這種次原子粒子(比原子還小的粒子),然而微中子的質量極小、不帶電、速度接近光速,使得它「存在感」很低。最重要的是,它幾乎不與其他粒子作用,但也正因如此,它可以穿越整個宇宙而通行無阻。


  如果能打造微中子望遠鏡,就可以看到來自宇宙的最邊緣的訊號,也就是說它或許保有極古老的宇宙訊息(詳見《科學人》2010年9月號〈以微中子看宇宙〉),就像是宇宙遠距傳遞的信差,可讓我們一窺恆星核心的奧秘、超新星的內部、γ射線爆發事件等,因此被科學家視為瑰寶。但相對的,微中子的「冷漠」也使得探測它成了一大難題。



穿入冰中後 速度大不同


  前蘇聯亞美尼亞物理學家阿斯卡瑞安(Gurgen A. Askaryan)於1960年代提出一個想法,啟發往後科學家探尋微中子的方向。他認為,以接近光速前進的微中子雖然極少與一般粒子作用,但進入如冰層這類的高密度純介質時,若能夠偶然與其中一個原子核作用,就能產生同樣以接近光速前進的正負電子對,正子(電子的反粒子)與電子又會分別與原子核作用產生新的正負電子對,如此一來,可以得到許多以接近光速前進的正子與電子。由於正子較容易被冰層吸收,因此很快的,這群在冰層中往前飛馳的帶電粒子,總電荷不再是中性,而是帶負電荷。


  我們知道,沒有任何東西的速度可以超過光速,但那是在真空的情況下;當光進入折射率大於1的介質時,光速就會減慢下來,在折射率約為1.3的冰層中,光速僅有真空光速76%,因此,接近真空中光速的帶電體,在冰層中跑得反而比光還快,當它本身發出的電場受到推擠,就會產生類似超音速飛機的「音爆」現象,稱為「切侖科夫輻射」(Cherenkov radiation)(見下圖)。綜而言之,帶電體在冰層中以接近光速前進時,就會產生切侖科夫輻射,而探測微中子穿入冰層時引發的切侖科夫輻射,能夠解開更多宇宙謎題。




微中子進入冰層之後放出切侖科夫輻射示意圖。(電腦繪圖:姚裕評)



美國航太總署(NASA)的普拉姆布魯克反應器放出的神秘藍光,即為切侖科夫輻射;這種輻射的頻譜從可見光的藍光到無線電波範圍都有。(影像來源:NASA)



去南極尋找微中子


  切侖科夫輻射讓科學家能夠以大量的純物質做為媒介來觀測微中子,而南極天然的巨大冰層,就是最好的標靶。2006~2009年,一項稱為「南極脈衝瞬態陣列」(Antarctic Impulsive Transient Array, ANITA)的計畫,在南極將探測器以高空氣球升到30公里高,大面積地偵測切侖科夫輻射中穿出冰層的無線電波(切侖科夫輻射示意圖中,上方折射出冰面的部份),藉以偵測是否有微中子通過。ANITA兩度升空,也帶來些許成果,然而受限於升空時的電源仰賴太陽能,而南極陽光充足的時間只有12月到1月短短一個多月;此外,探測器在空中擷取訊號時,難免受到人類在南極洲從事各種活動的雜訊干擾。


  2011年由美、歐、日以及台灣大學物理系教授陳丕燊帶領的團隊,共同合作的南極微中子探測計畫「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA),則可以避免雜訊干擾的問題。它將37個觀測站埋入冰層深處,在冰層內擷取切侖科夫輻射訊號(切侖科夫輻射示意圖中,冰層下方整個似紫色甜筒的部份);其中值得一提的是,37個觀測站中有10座為台大團隊所打造。2011年底這項計畫的第一座觀測站已在南極啟動,預定在2012年將安裝第二與第三座,待ARA建構完成,將成為全世界最大的微中子天文台,並持續觀測5~10年,估計一年捕捉3~5個微中子,屆時將為天文粒子物理與宇宙學領域做出貢獻。



ARA的探測器分佈模型。在南極,這37個觀測站將兩兩相距大約兩公里,涵蓋100平方公里的範圍。(影像來源:郭雅欣)





延伸閱讀

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〈微中子並沒有超光速〉,卡司塔維奇(Davide Castelvecchi)撰文,《科學人》2012年1月號

〈以微中子看宇宙〉,蓋爾米尼(Graciela B. Gelmini)、庫森科(Alexander Kusenko)、衛勒(Thomas J. Weiler)撰文,《科學人》2010年9月號

〈傾聽宇宙最深處的玄機〉,陳丕燊撰文,《科學人》2010年9月號

〈見微知著〉,郭雅欣撰文,《科學人》2010年9月號

〈行跡詭異的天外訪客-淺談微中子天文物理〉,曾玠郡撰文,《物理雙月刊》2004年10月號

高中必修科目《基礎物理》