天 文 新 知|
「 我 假 設 了 一 種 新 粒 子 的 存 在 ， 但 這 種 粒 子 卻 不 可 以 被 測 量 出 來 ！ 」 二 十 世 紀 一 位 偉 大 的 物 理 學 家 泡 利 (W. Pauli) 在 30 年 代 初 對 自 己 提 出 的 一 種 新 粒 子 曾 作 出 這 樣 的 概 嘆 。 這 種 粒 子 就 是 本 文 的 主 角 ─ 中 微 子 。 科 學 家 相 信 ， 中 微 子 在 宇 宙 中 的 數 目 相 當 多 ， 就 以 太 陽 製 造 的 中 微 子 為 例 ， 它 們 到 達 地 球 的 數 目 確 實 是 「 天 文 數 字 」 ： 每 秒 約 有 一 百 萬 億 (1014) 粒 中 微 子 正 穿 越 你 的 身 體 ！ 這 麼 大 數 目 的 粒 子 為 何 不 容 易 為 科 學 家 所 測 量 呢 ？ 原 因 是 中 微 子 只 參 與 弱 交 互 作 用 ， 亦 即 是 它 們 和 一 般 粒 子 如 電 子 、 中 子 、 質 子 等 很 難 發 生 關 係 ， 因 此 不 易 測 量 得 到 ， 物 質 對 中 微 子 來 說 可 算 是 透 明 的 。 換 句 話 說 ， 中 微 子 的 「 穿 透 力 」 特 強 ， 因 此 便 可 以 在 太 陽 內 部 以 至 在 廣 闊 的 宇 宙 中 自 由 奔 馳 。 中 微 子 在 一 日 千 里 的 物 理 學 發 展 上 佔 有 重 要 的 位 置 ， 而 其 在 天 文 學 領 域 上 的 貢 獻 卻 肇 始 於 60 年 代 ， 亦 即 是 著 名 的 太 陽 中 微 子 之 謎 。 美 國 能 源 部 布 魯 克 文 國 家 實 驗 室 的 化 驗 師 戴 維 斯 在 50 年 代 已 開 始 思 考 如 何 捕 捉 由 太 陽 而 來 的 中 微 子 ， 在 經 歷 重 重 困 難 後 ， 全 球 第 一 個 測 量 太 陽 中 微 子 的 實 驗 終 於 在 1967 年 於 美 國 South Dakota Homestake 地 底 下 1.5 公 里 的 舊 礦 洞 展 開 ， 而 且 在 以 後 20 多 年 中 幾 乎 無 間 斷 地 進 行 。 讓 我 們 看 看 戴 維 斯 的 實 驗 結 果 ： 根 據 天 文 學 家 已 知 的 太 陽 標 準 模 型 ， 可 以 估 計 戴 維 斯 的 三 十 八 萬 公 升 四 氯 乙 烯 (C2Cl4) 的 實 驗 裝 置 應 該 可 以 每 秒 每 一 個 氯 原 子 捕 獲 7.7 個 太 陽 中 微 子 單 位 ( 簡 稱 SNU ) 。 然 而 ， 20 多 年 來 的 測 量 結 果 ， 卻 只 有 2.6 個 SNU 。 座 落 於 日 本 首 都 東 京 以 西 300 公 里 的 神 岡 ， 本 來 計 劃 興 建 一 座 大 型 實 驗 室 用 作 研 究 質 子 衰 變 ， 這 實 驗 裝 置 稱 為 神 岡 號 ， 後 來 於 1984 年 在 美 國 協 助 下 ， 它 被 改 建 為 有 史 以 來 第 二 個 探 測 太 陽 中 微 子 的 實 驗 室 ─ 神 岡 2 號 。 這 個 位 於 地 底 1 公 里 深 ， 利 用 680 公 噸 的 水 的 實 驗 裝 置 理 論 上 可 以 捕 獲 5.2 個 單 位 的 中 微 子 ， 但 10 年 多 的 測 量 結 果 只 有 2.8 個 單 位 。 到 底 是 甚 麼 地 方 出 錯 ？ 是 實 驗 本 身 ？ 是 我 們 對 太 陽 內 部 的 認 識 有 錯 誤 ？ 還 是 科 學 家 對 中 微 子 的 了 解 不 夠 ？ 原 來 中 微 子 有 三 個 種 類 ： 電 子 中 微 子 、 渺 子 中 微 子 和 濤 子 中 微 子 。 科 學 家 現 在 普 遍 相 信 ， 中 微 子 從 太 陽 到 地 球 的 旅 程 中 會 發 生 一 種 轉 變 ， 稱 為 中 微 子 轉 變 ， 即 電 子 中 微 子 可 以 轉 變 為 渺 子 中 微 子 和 濤 子 中 微 子 。 但 戴 維 斯 及 神 岡 的 實 驗 只 能 測 量 電 子 中 微 子 ， 所 以 測 量 到 的 中 微 子 數 目 遠 比 預 期 為 少 。 各 個 不 同 的 測 量 太 陽 中 微 子 實 驗 室 在 八 、 九 十 年 代 如 雨 後 春 筍 般 興 建 ， 例 如 利 用 鎵 原 素 的 SAGE 、 GNO 及 GALLEX ， 比 神 崗 2 號 大 30 倍 ， 利 用 高 度 純 水 的 超 級 神 岡 號 ， 以 及 位 於 加 拿 大 安 大 略 省 地 底 2 公 里 ， 利 用 重 水 的 Sudbury Neutrino Observatory 。 後 兩 者 透 過 測 量 中 微 子 和 水 的 微 弱 作 用 以 及 分 析 它 們 的 種 類 ， 最 新 的 實 驗 結 果 都 支 持 中 微 子 轉 變 的 理 論 。 如 果 這 個 理 論 最 終 得 以 確 立 ， 就 可 證 明 中 微 子 具 有 質 量 ， 這 樣 很 可 能 會 改 變 我 們 對 未 來 整 個 宇 宙 演 化 的 看 法 ！
圖 片 鳴 謝 ： University of Maryland, Queen's University
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