以微中子看宇宙
微中子不再只是物理學的稀世珍品,更是天文學上實用的工具。
撰文╱蓋爾米尼(Graciela B. Gelmini)、庫森科(Alexander Kusenko)、衛勒(Thomas J. Weiler)
翻譯/李沃龍

重點提要
■微中子為天文學家提供了一種類似X光的透視能力,其性能比X光更強大。微中子是反應活性最差的次原子粒子,可以輕易穿透物質,彷彿它們根本不存在,因此能夠呈現出恆星核心與其他隱匿於宇宙深處的奧秘。
■不幸的是,微中子這項如此有用的特性,也能讓它們逃過望遠鏡的偵測。直到今年,望遠鏡才具備足夠的靈敏度,以偵測微中子的確切來源。
■微中子有多種型態,並且可於飛行途中變換型態。這項特殊性質亦提供了額外的資訊,透露出它們的源頭。

2002年,諾貝爾基金會把獎項頒發給戴維斯(Ray Davis)與小柴昌俊,當時他們可供讚頌的貢獻很多。戴維斯因偵測到太陽微中子而成名,那是人們第一次看見來自外太空的微中子,它可是出了名的難以捉 摸;小柴昌俊則發現了1987年超新星爆發所釋放出來的微中子。他們的成果是實驗上的精采傑作,因為理論學家原先假定微中子不具質量,但這些實驗確認了它 們其實擁有微小質量。不過,諾貝爾基金會特別表彰的是,戴維斯與小柴昌俊為世人建立了一門全新的科學:微中子天文學。

在他們的努力下,微中子從理論上的新奇事物,搖身一變成為探索宇宙的實用工具。科學家研究微中子,除 了要蒐集這些粒子的性質,現在更用來揭露宇宙潛藏的某些奧秘。一個世紀前,天文學家建造的是大型光學望遠鏡;而今,天文學家為了看見新的事物,設計與製造 出龐大的微中子望遠鏡,這些望遠鏡已經偵測到成千上萬的微中子,還利用微中子拍攝出太陽的影像。過去的儀器很難把來自地球之外的與源自地球高層大氣的微中 子區隔開來,但到了明年此時,這些儀器應該已經有能力做到這件事情。

屆時,新的發現會蜂擁而至,至於這種曾被認為無法觀測的粒子,未來可能會變得不可或缺,因為有些東西 無法透過光看見,但微中子可以。當我們藉由光來研究太陽時,我們只見得到它的表面,也就是最表層數百公里的氣體。太陽中心核反應產生的能量驅動了陽光,而 陽光則沿途不斷受到各氣層的吸收和發射,因此只有在穿出外層氣體後,才能自由穿越太空。相對而言,透過微中子這雙眼睛,我們得以直接看見太陽中心的核融合 引擎,那是太陽內部溫度最高的區域,只佔了太陽體積的1%,微中子在此被製造出來,接著便視若無物地穿透太陽的外層。

微中子也能讓我們透視超新星的內部、γ射線爆發之類的恆星爆炸事件,以及圍繞於超大質量黑洞周邊的氣 盤。目前興建中的望遠鏡,每年應可在最接近我們的約50個星系裡,觀察到一顆超新星,以及數百次γ射線爆發,甚至許多根本未被注意到的奇怪天體。但就跟其 他威力強大的工具一樣,我們得花些精神才能熟悉微中子的特性。

性情淡漠的微中子

對粒子物理學家而言,微中子類似電子,不過它不帶電荷,因此主導日常生活的電力和磁力對它不會發生作 用。當你坐在椅子上時,電的斥力使你不會穿過椅子而跌倒;發生化學反應時,原子會交換或共享電子。當物質吸收或反射光線,帶電粒子會與振盪的電磁場反應。 至於不帶電的微中子則會穿透固態物質,因此微中子在原子或分子物理中並不扮演任何角色,而且幾乎是完全不可見的。

已知型態的微中子會參與弱核作用,這種作用與放射性β衰變以及重元素融合有關,但除非距離極短,否則 弱核力是非常微弱的。因此,微中子幾乎不與其他物質作用。想偵測微中子,物理學家和天文學家得監測體積龐大的物質,尋找微中子在這些物質中遺留下來的稀少 痕跡。如果像天文學家預期的那樣,所有宇宙微中子的能量和宇宙射線(轟擊地球的質子與離子)的能量相當,那麼一立方公里的物質才能捕獲一件清晰的樣本,最 大的望遠鏡體積則與此相差不遠。

天文學家也假設有其他類型的微中子:惰性微中子(sterile neutrino)。這種微中子性情冷淡,甚至幾乎不與弱核力作用;重力或許是它們和宇宙中其他東西的主要連結。所以,偵測這些微中子的挑戰性更高。

儘管性情淡漠,微中子在這齣宇宙大戲中卻是積極的參與者。它們是β衰變的重要副產物,而β衰變除了會 加熱恆星爆炸的殘骸與行星內部,更是恆星核融合反應的重要步驟。大質量恆星在生命盡頭發生內爆所產生的超新星,主要類型有兩種,而微中子對其中一種的生成 也扮演關鍵性的角色。內爆將恆星核心壓縮成核子般的密度,並在10~15秒內釋放出1058個中子。在這環境下,即便是最孤傲不群的粒子,也會被迫參與這 場盛宴。在這種爆炸事件所釋放出的總能量中,微中子就佔了99%,也就是說,以微中子望遠鏡進行觀測,就能看到一般望遠鏡錯失的99%的圖像,其中包括關 鍵的早期演化過程。科學家觀測1987年超新星爆發事件所發射出的微中子,便確立了恆星坍塌的基本理論。目前的微中子望遠鏡,則可以提供恆星坍塌、反彈及 爆炸的即時動態影像。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第103期9月號】

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