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- 552期－諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2015-12-01地底水槽探索 微中子震盪
552 期
Author 作者
張敏娟/任職輔仁大學物理系副教授、兼任磨課師（MOOCs）執行長。曾任國際及兩岸教育處學術交流中心主任、中華民國物理學會《物理雙月刊》總編輯。
今（2015）年10 月6 日，諾貝爾遴選委員會宣布物理獎由梶田隆章（Takaaki Kajita）與亞瑟．麥唐納（Arthur B. McDonald）獲獎。表彰他們找到微中子（neutrino）震盪的證據，進而推測微中子具有質量的貢獻。
亞瑟．麥唐納（Arthur B. McDonald）1943 年生，加拿大物理學家。(Arthur B. McDonald)
梶田隆章（Takaaki Kajita），1959 年生，日本物理學家、天文學家。（ICRR, the University of Tokyo）
梶田是日本人，目前56 歲，是日本東京大學的教授。1981 年埼玉大學物理系畢業，接著在東京大學念物理博士，並加入位於日本神岡的大水槽實驗（KamiokaNDE），1986 年博士班畢業。他在畢業後，於東京大學理學院繼續擔任助手（1986）、接著轉到該校宇宙線研究所擔任助手（1988）、助教授（1992）、教授（1999）、所長（2008）。他參與神岡大水槽實驗（KamiokaNDE）與超級神岡大水槽實驗（Super-KamiokaNDE），研究能力傑出，獲得許多研究大獎。最特別的大獎之一是在2002 年，梶田與影響他最深的兩位老師、前輩：戶塚洋二與小柴昌俊，三人共同獲得潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎。小柴昌俊因為神岡大水槽實驗獲得2002 年的諾貝爾物理獎（超級神岡大水槽實驗的前身），戶塚洋二是主導超級神岡大水槽實驗的前期主要負責人（2008 年因為癌症過世）。
而麥唐納是加拿大人，目前72 歲，是加拿大皇后大學的教授。麥唐納1964 年達爾豪西大學物理系畢業，1965 年同
校物理碩士畢業，接著轉往美國加州理工學院念物理博士，1969 年畢業。他在博士畢業後，於加拿大首都渥太華的喬克河核子實驗室任職研究員（1970~1982）。接著轉往美國普林斯頓大學任職教授（1982~1989），之後又回加拿大的皇后大學擔任教授（1989）。
麥唐納在任職皇后大學期間，領導位於加拿大安大略省的薩德伯里微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory, 1999~2006）。在2001 年8 月，麥唐納領導的薩德伯里微中子觀測站團隊，發表實驗結果並推論出「來自太陽的電子微中子，會因為微中子振盪機制改變為緲子微中子和濤微中子」。這個結果支持在1998 年，超級神岡大水槽實驗發
表的類似論點文章。因此2007 年，美國費城富蘭克林研究所，將富蘭克林獎章頒發給領導超級神岡大水槽實驗與薩德
伯里微中子觀測站團隊的戶塚洋二與亞瑟·麥唐納。我想，如果戶塚洋二能夠活久一點，一定也可以拿到諾貝爾物理獎
的。
微中子震盪
為微中子在三種「味」之間震盪，意思是電子微中子（e）、渺子微中子（μ）、與濤微中子（τ）之間，會互相轉換身份。
味（Flavour）：
代表的意思跟「種類」類似，但是也含有看不見、摸不著的意思。 |
關於微中子被提出與命名的歷史
從沃爾夫岡‧ 包立說起。奧地利理論物理學家包立（Wolfgang Pauli, 1900~1958）是量子力學研究先驅之一。一般廣為所知的是他提出的包立不相容原理，發展出自旋理論，重新詮釋物質結構。包立獲得1945 年的諾貝爾物理獎。包立很少發表論文，他比較喜歡與同行交換長篇的信件。1930 年，包立思考了β 衰變（beta decay）的問題，也就是原子核轉變為另一種原子核時，會伴隨產生一種小粒子。他寫信給同行，提出存在一種電中性的、迄今為止未被觀測到的小粒子假說，以此解釋β 衰變。不過這個看不見的小粒子，到底要怎麼繼續討論它，包立很苦惱。
1934 年， 恩里科· 費米（Enrico Fermi, 1901~1954）為美籍義大利裔物理學家，重新詮釋包立的β 衰變假說。費米將包立苦惱的那個伴隨β 衰變產生的小粒子，命名為微中子（neutrino），讓β 衰變滿足能量守恆理論，並定義：「β 衰變是放射性原子核放射電子（β 粒子）和微中子而轉變為另一種原子核的過程。」由於費米是義大利人，所以微中子命名給人的感覺，很像義大利咖啡卡布奇諾（Cappuccino）。費米重新詮釋的β 衰變，是弱作用力理論的前身。他演示了幾乎所有元素在中子轟炸下都會發生核變化。慢中子和核裂變的發現，也是費米以及他的學生們推論出來。費米獲得1938 年的諾貝爾物理獎。
微中子研究，從費米之後，百家爭鳴。其中以1964 年提出夸克理論的默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929 ~）為首，漸漸朝向基本粒子標準模型邁進。蓋爾曼因此獲得1969 年的諾貝爾物理獎。微中子們在還沒被找出來之前，就已經被預測會出現，並預先留好座位給他們了。尋找微中子特性的實驗很多，本文僅說明此次獲諾貝爾獎的兩個實驗。第一個是日本超級神岡大水槽，第二個是加拿大薩德伯里微中子觀測站。
微中子的實驗觀測，主要分為四種：太陽微中子、大氣微中子、核反應爐微中子與粒子束微中子。神岡大水槽與超級神岡大水槽，屬於觀測大氣微中子的實驗；加拿大薩德伯里微中子觀測站，則屬於觀測太陽微中子的實驗。
至於核反應爐微中子，比較有名的是日本的KamLAND 和中國大陸大亞灣微中子實驗，它們都屬於把偵測器放在核能發電廠旁邊的實驗。而粒子束微中子，是利用加速器產生微中子光束的實驗，比較有名的有美國的MINOS、日本的K2K、T2K。還有許多有名的微中子實驗室，就不一一列舉。
日本超級神岡大水槽實驗，地點位於日本岐阜縣飛驒市神岡町的一個廢棄砷礦裡面。神岡是一個非常純樸的傳統日本小鎮。超級神岡大水槽實驗所在的廢棄礦坑，是更早之前的神岡大水槽實驗的地點，但是規格擴大了十倍。超級神岡大水槽為直徑約39.3 公尺、高度約41.4 公尺的不鏽鋼圓柱形容器，裡面注入約5 萬噸純水，容器內壁使用約1 萬1200
個光電倍增管，用於探測高速微中子在水中通過時產生的「契忍可夫光（Cherenkov light）」。
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日本超級神岡大水槽實驗
超級神岡大水槽，主要觀測大氣微中子，微中子觀測數量之理論預測值並不隨天頂角而改變，而是呈一定值。然而，超級神岡大水槽於1998 年發現，從大水槽下方進來的渺子微中子（產生於地球另一側）被觀測到的數量是從大水槽上方進來的渺子微中子數量的一半。這個結果被解釋成微中子轉變至其他種類的微中子，這個現
象即是微中子震盪。此發現表示微中子具有有限質量，並暗示著標準模型需要被延伸。微中子在三種「味」之間震盪，而且各種微中子皆有其靜止質量。於2004 年的進一步分析顯示，事件發生率是長度除以能量的函數，並有著正弦函數的對應關係，確認了微中子震盪理論。
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日本超級神岡大水槽（Super-KamiokaNDE）。(Super-Kamiokande Collaboration, Japan)
超級神岡大水槽的位置，在地底下1000 公尺深，主要是為了隔離地面上的各種背景雜訊。大水槽上方，承受每平方公
尺2700 噸的壓力。還好礦坑由堅硬的岩石所組成，承受得住壓力。1991 年12 月，超級神岡大水槽開始正式動工，總共花了約兩年半，才把地底下需要的空間清空。接著用噴水泥的方式，把牆面固定。每隔一定距離，在牆面做一個記
號、鑿一條小通道，預留空間給光電倍增管安裝電線。為了讓地底下的五萬噸純水保持純淨，大水槽旁邊建了一座淨水系統，隨時淨水。為了分析數據，在大水槽上方的地面上，蓋了一個電腦中心。所有實驗數據都透過電子訊號讀出系統送到電腦中心，做數據分析與值班的人員，可以在地面上處理。
當帶電粒子高速通過純水，有機會產生契忍可夫光。理論物理學家推論，當水裡面的質子被高能量的粒子打碎，產生
衰變放出微中子，就有機會發出契忍可夫光。接著使用光電倍增管，將光訊號放大變成光電子訊號，由於具有高壓電
的光電倍增管，可以讓光電子在管中產生電子雪崩效應，讓電訊號放大，這樣就能找到質子衰變的證據。一開始建造大水槽的目的，是為了找質子衰變。直徑約50 公分的光電倍增管，外層的玻璃，是由日本吹玻璃技師細心做出來的，同時訓練一批技師，將光電倍增管的電極等元件，一層一層的裝好，放進玻璃管裡面。再接著用高溫融封玻璃管，一邊也確定壓力穩定沒變形之後，再將電線放入光電倍增管連接電極、電線拉出的地方做最後的防水封裝。1994 年7 月，光電倍增管完成。讀出訊號的電子設備、物理理論模擬軟體，在籌備階段也跟著一起研究。在硬體準備就緒後，所有電子設備全部運到地底下大水槽的正上方，準備做即時數據監控。
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契忍可夫光
契忍可夫光是帶電粒子以超過光速穿過介質時發出的光。要超過的
光速是光的相速度而非群速度。契忍可夫光在1934 年， 由蘇聯物理學家帕維爾·契忍可夫（Pavel Cherenkov）發現的。這個現象跟飛機以超音速飛行，產生音波堆疊，堆疊承受不住後，發生音爆現象類似。只是改成帶電粒子以超光速飛行，產生光子震波堆疊，堆疊承受不住後，發生光爆現象。契忍可夫與另外兩位蘇聯物理學家成功解釋契忍可夫光的成因後，於1958 年，三人一起拿諾貝爾物理獎。 |
(wikipedia)
在1987A 爆發的光線來到地球的3 小時前，世界各地有三台微中子探測器同時偵測到微中子爆發，廣泛接受的理由是微中子於超新星爆發時，比可見光更早被發射出來，而不是微中子比光速快。這三台微中子探測器分別為：日本的神岡大水槽，美國的厄文– 密西根– 布魯克海汶偵測器（IMB），俄羅斯的BAKSAN 偵測器。神岡大水槽因為有了意外的微中子訪客而爆紅，促成了超級神岡大水槽計劃。而原本希望量測質子衰變的目標，也中途改為以大氣微中子的研究為主。
加拿大薩德伯里微中子觀測站，實驗地點位於2100 米深的鎳礦中。跟超級神岡大水槽的1000 米深的砷礦比起來，還要再深1100 米。在地底下2100 米深，主要是為了隔離地面上的各種背景雜訊。觀測站上方，承受巨大的壓力，因此使用特殊錨杆技術支撐住。
薩德伯里微中子觀測站中，有一個直徑12米的球形容器，裡面裝有1000 噸重水，容器壁用丙烯酸脂製成，厚度5 厘米。在這容器的外面有一個直徑17 米的偵測球，在偵測球裡面安裝了9600 個光電倍增管，用於偵測契忍可夫光。為了給予浮力與輻射屏蔽，整個探測器浸泡在直徑22米、高度約34米、裝滿普通水的圓柱形腔體中。
早於1960 年代，就已有美國Homestake實驗獲得關於太陽微中子抵達地球的測量數據。在薩德伯里微中子觀測站之前，所有實驗都只觀測到大約為標準太陽模型所預測的微中子數量的1/3 至1/2。這被稱為太陽微中子難題。幾十年來，很多理論被提出來解釋這效應。其中一個是微中子振盪假說。1984 年，美國加州大學爾灣分校的物理學教授赫伯特·陳（Herbert Chen）指出，重水是製作太陽微中子探測器的優良材料，因為可以清楚分辨三種微中子與電子微中子，適合研究太陽微中子振盪。1990 年，實驗計畫正式被批准。在這實驗裡，當微中子與重水交互作用時，會出現電子以高速移動經過重水，因契忍可夫效應而產生藍色光錐。利用光電倍增管可以偵測出光訊號。
加拿大薩德伯里微中子觀測站，主要觀測太陽微中子。在太陽微中子理論中，有三種產生微中子的衰變：
一、在電性流交互作用裡，微中子將重氫裡的中子變為質子，並且釋出一個電子。
二、在中性流交互作用裡，微中子離解了重氫，將其分裂成中子、質子。
三、在電子彈性散射裡，微中子與束縛於原子裡的電子發生碰撞。
在薩德伯里微中子觀測站中，以上三種產生微中子的衰變，每天都可以量測得到。2001 年6 月18 日，薩德伯里微中子觀測站因為透過研究這三種太陽微中子衰變，也確定了微中子會轉變至其他種類的微中子，產生微中子震盪，確認了微中子震盪理論。 |
加拿大薩德伯里微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory）。(SNO)物理獎的未來
微中子的研究風潮，仍然在高能物理科學界如火如荼地進行者。因為研究微中子而發表優秀實驗結果的團隊，依然很多。明年的諾貝爾物理獎，會不會又是給高能物理實驗呢？會是哪一個團隊呢？每年的十月份，總讓人充滿期待。