|
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。
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。
【完整內容請見《科學人》2010年第103期9月號】
|
