【微中子最前線】

江南布衣

【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。
 
在「迷你升能器微中子實驗」( MiniBooNE )的巨型水箱中的光電倍增管，可以偵測到微中子交互作用所產生的亮光。
 
「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。」

 

 

引用：http://sa.ylib.com/news/newsshow.asp?FDocNo=902&CL=14