科學人 發行日期:2010/10 刊號:103
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以微中子看宇宙

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。

無論微中子來自何處,它們都可毫無困難地抵達地球。不管能量多寡,它們都有辦法穿透氣體與塵埃,甚至橫越整個宇宙,這是光做不到的,即便是γ射線這種能量最高的光,都會被宇宙微波背景輻射稀釋。宇宙微波背景輻射包括大霹靂遺留下來的稀薄微波,以及長久以來所累積的星光與無線電波。具有100兆電子伏特(TeV)能量的γ射線光子,最多只能穿過數千萬光年的距離。同樣的,高能宇宙射線也會受到阻擋。

因此,若要探索大自然中最高能的幾種現象,研究微中子是少數幾種方法之一。它們或許難以捕捉,但絕對值得一試。

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