科學人 發行日期:2013/05 刊號:135
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微中子 激發新物理

解開微中子的秘密,將有機會揭起未知領域的面紗
撰文/赫希(Martin Hirsch)、帕斯(Heinrich Päs)、波洛德(Werner P

 重點提要
■微中子是最奇特的基本粒子,它似乎蔑視一切由電子與夸克這類性質清楚的粒子所設下的規律。
■由於質量輕盈且變化多端,極難被偵測到的微中子困擾了實驗學者數十載。
■直到今日,微中子的基本性質仍無定論。一些尚待釐清的問題包括:它們微小質量的來源、微中子反物質的本質與微中子的類型數目,以及它們如何在飛行途中轉換身分。
■揭露微中子的真實本性或許能夠引導我們邁向更加統一的物理理論。

僅有少數的物理學家能有幸為世界引入一種新的基本粒子。包立(Wolfgang Pauli)在1930年想到微中子這個概念時,內心的疑慮使他對此粒子有所保留。包立稍後告訴同事:「我做了件可怕的事,我假設有一種無法被偵測到的粒子存在。」

微中子確實難以捉摸,它如鬼魅般的本質,使它幾乎不受阻礙地穿越物質,包括那些物理學家在粒子探測器中所使用的材料。事實上,大部份微中子可俐落地穿透地球而不碰觸到其他粒子。不過包立的憂慮稍微誇張了些:微中子其實是可以被偵測到的,雖然需要花費極大的力氣並設計精巧的實驗才能成功。

微中子是最奇特的一種基本粒子:它們不能用來建構原子,也不會與其他物質作用;它們是唯一不帶電荷的物質粒子;它們非常輕,質量不到電子這種次輕物質成份的百萬分之一;此外,微中子還是所有粒子中最善變的,它們可在三種型態(或風味)間變換身分。

80多年來,這些微小粒子一直令物理學家感到驚訝。直至今日,一些關於微中子的根本問題仍懸而未決:微中子的風味真的只有三種,抑或更多呢?為何所有的微中子都如此輕?微中子的反物質是否就是它自己?為什麼微中子可以如此輕易變換身分?

針對這些問題所設計的新實驗,正在世界各地的粒子對撞機、核反應器,甚至廢棄的礦坑裡如火如荼地進行著。所獲得的答案,應該能對大自然的內在運作方式提供基本線索。

微中子的奇異特性可做為一盞明燈,指引物理學家邁向大統一理論──該理論除了重力之外,所有的粒子與作用力,都可用條理一貫的數學架構描述。標準模型是目前關於粒子與作用力的最佳理論,但它無法含括微中子的所有複雜性質,因而亟需擴展論述。

質量輕卻關係重大

在標準模型上擴充微中子的部份,最常用的方式是引入一種稱為右旋微中子的新粒子。正如同電荷規範粒子的電性多寡一樣,自旋決定了一個粒子能感受到弱核力,即造成放射性衰變的作用力;只有左旋粒子才能感受到弱核力。因此,這些假設存在的右旋微中子,必然比那些已經被實驗證實的左旋微中子更難以捉摸。所有的微中子都被歸類為輕子(一群包含電子在內的粒子家族),這代表它們並不會感受到在原子核內把質子與中子緊箍在一起的強核力。由於不帶電荷,微中子也不會受電磁力影響。如此一來,三種已知風味的微中子能感受到的只剩下重力與弱核力,但右旋微中子甚至不受弱核力影響。

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