- 精選文章
文章專區
2021-03-30微中子：挑戰物理學「最大之謎」，一本書讀懂諾貝爾獎的研究
616 期
Author 作者
多田將。
微中子的「誕生」
那麼，來談談這次的主角微中子。
首先來說明為什麼會是「想到」微中子。如同「想到」字面上的意思，微中子最初並不是經由發現找到，而是基於某個理由，被認為「雖然沒有找到，但必須存在的東西」。前面提到的中子在原子核中時非常穩定。「穩定」代表不會在某個時候突然崩壞（崩壞的機率極低）。雖然看似在說奇怪的事情，但請各位設想以下情況─若是大家早上起床，發現到左手消失不見，這會是起嚴重的事件。如果這類事件頻繁發生，就會擔心明天早上的事情而睡不著。大家之所以能夠放心地安然入睡，是因為構成我們身體的原子核，大部分是非常穩定的。
然而，若原本在原子核中穩定待著的中子，飛出原子核單獨存在，僅需要十五分鐘就會崩壞成質子和電子。調查後會發現不太合理，因為此現象沒有遵守物理學基本的能量守恆定律。
有學過物理學的人應該都知道能量守恆定律。或者，即便是僅學習過化學的人，也應該知道質量守恆定律。質量守恆定律是指，化學反應前全部物質的質量，會等於反應後全部物質的質量。這在反應能量小的化學反應上大致正確，但嚴格來講，還得考慮反應產生的能量。而能量守恆定律就是，反應前後包含質量的全部能量加總起來必定相等。能量不會另外產生，也不會憑空消失。
然而，以中子的崩壞情況來看，能量守恆似乎並不成立。反應前，中子帶有的全部能量（包含質量），跟反應後質子與電子帶有的全部能量相比，後者會小於前者──換言之，能量消失到某處了。
當時的物理學家無法解開這個謎，於是猜想：「能量守恆定律僅成立於我們可直接觀測的宏觀世界，在（原子核程度的）微觀世界，能量守恆定律或許不成立吧」。然而，有位物理學家不同意此看法。他就是沃夫岡‧ 包立（Wolfgang Pauli）。
包立表示：「我們不該輕易懷疑能量守則這個基本的定律。」可是，現實的問題是，這定律看起來不成立。於是，包立這麼說明此現象：「是尚未被發現的粒子帶走了能量。」
這個粒子是微中子。雖然「Neutrino」是其他物理學家取的，但包立解釋這種粒子會在反應中產生，反應前的中子能量肯定會等於反應後的質子、電子和微中子的全部能量。
這邊希望各位注意的是，包立並不是在發現微中子後才提出此看法。
當時，物理學家完全沒有找到相當於微中子的東西，也不明白其產生的機制，但為了讓能量守恆定律成立，這個未知的粒子必須存在才行。基於這樣的理由，微中子作為「必須存在的粒子」在物理界登場。
然而，包立表示，微中子反應性非常微弱，所以人類沒辦法偵測出來。能夠對未發現的東西主張「存在」，真的很厲害。
不過在包立提倡此論述的二十六年後，微中子確實被找到了，也證實了包立的偉大貢獻。
微中子生成
我們再稍微詳細討論微中子的生成反應。
中子會崩壞成質子、電子和微中子（正確來說是反電微中子：電微中子的反粒子。反粒子稍後再來討論），試著改變一下著眼點，從核子的變化來討論。在此反應中，核子是在從中子轉為質子時生成微中子，所以也可稱為「核子變化時產生的基本粒子」。
再稍微深入一點，從夸克的觀點來看此反應吧（圖18）。質子是由二個上夸克和一個下夸克所構成；中子是一個上夸克和二個下夸克所構成，兩者差在一個夸克的種類不同。因此，中子轉為質子的現象可想成：一個下夸克轉為一個上夸克，並釋放電子和反電微中子。
這類使粒子崩壞的現象，或者改變粒子種類的現象，都無法用前面出現的作用力，如重力、電磁力、強力等來說明，是與這些完全不同的新力產生作用。這股力稱為「弱力（Weak interaction）」。
如同貓力是藉由交換貓咪圖像、電磁力是藉由交換光子、強力是藉由交換膠子來傳播，弱力的傳播也需要像貓咪圖像的媒介──弱玻色子（weak boson）的基本粒子。
藉由弱玻色子來看，中子轉為質子或者下夸克轉為上夸克的現象（圖18）。
下夸克釋放弱玻色子後，會轉為上夸克。弱玻色子的壽命短得令人吃驚，僅僅移動10–18公尺就會崩壞，轉成電子和反電微中子。由於此距離過短，無法直接觀測，人類僅能認識到反應前的中子，與反應後的質子、電子和反電微中子。
再來看一次基本粒子一覽表。跟此反應有關的基本粒子有上夸克、下夸克、電子、（反）電微中子，是最左邊的直列。換言之，弱力是會作用於表中所有基本粒子的力。再重申一次，強力僅作用於夸克（上兩段）；電磁力僅作用於夸克和輕子上半段（上三段）；而弱力會作用於所有基本粒子。由表可知，反應會在同一直列中發生。如後所述，雖然現在知道相鄰直列的基本粒子之間也會發生反應，但一般反應僅會在相同直列間發生。各直列以「第幾代」來稱呼，但並不是按照年齡順序來表示。這是翻譯自英文的「generation」，物理學家真是取了個奇怪的名字。
書名│《微中子：挑戰物理學「最大之謎」，一本書讀懂諾貝爾獎的研究》
作者│多田將
出版社│世茂
出版日期│ 2021年2月