淺談微中子振盪

生活科學趣談

1998年,日本東京大學在岐阜縣神岡町的一處深達1000米的廢棄砷礦中建造了大型微中子探測器,這個超級神岡探測器的研究結果證實了微中子的  可以發生振盪,並進一步證實微中子並非粒子物理標準模型下質量為零的假設。

探測器內裝有純水50000噸,內壁架設11,200個 光電倍增管,用來探測高速微中子在水中通過時產生的 契忍可夫輻射

SuperKamiokande

在核反應堆所見的怪異藍光就是由這種 Cherenkov 輻射所造成

neutrino1

neutrino2

由於光在真空中的光速是在水中的1.33倍,而微中子的速率只比光在真空中的光速略慢一些。因此如果μ微中子撞到水分子的氫核時,它可以產生一個高能的μ子,這個被激發出來的μ子之速率就會比光在水中的速率快,由於μ子帶有一個單位負電荷,因此就會產生契忍可夫輻射而被光電倍增管所偵測到。以下圖這張超級神岡探測器所測得的數據為例,紅色部分是最先被光電倍增管捕獲到的光訊號,綠色部分則是較慢的訊號,這可證實μ微中子是從探測器下方射過來的。

neutrino3

關於微中子的特性,下則動畫提供一個有趣而簡潔的說明,不過其中涉及契忍可夫輻射的解釋似乎有誤,微中子應該是撞到水分子的氫核而非電子

微中子有三種:μ微中子(νμ)、τ微中子(ντ)、e微中子(νe),20世紀60年代晚期,美國南達科他州礦井中的Homestake實驗首次測量了太陽產生的微中子的流量,發現大約只有標準太陽模型計算出來的三分之一。針對太陽微中子的缺失問題,理論物理學家 Bruno Pontecorvo 最先於1957年提出當微中子在空間中傳播時,微中子帶有某個味的機率會呈現週期性變化。1998年,日本的超級神岡探測器首次發現了微中子振盪的確切證據,證實μ微中子轉換成了τ微中子。2001年,加拿大的 Sudbury 微中子天文台發表了測量結果,探測到了太陽發出的全部三種微中子,其中35%是e微中子。三種微中子的總流量與標準太陽模型的預言吻合,從此解決了先前觀測到的太陽微中子缺失問題。Homestake實驗的領導者雷蒙德·戴維斯和神岡探測器的領導者小柴昌俊於是獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。隨後為了表彰1998年和2001年進行的微中子振盪實驗提供的確鑿證據,Kamioka Observatory 的梶田隆章與 Sudbury Neutrino Observatory 的阿瑟·麥克唐納被授予2015年諾貝爾物理學獎。

延伸閱讀

一處位於大亞灣的微中子振盪實驗,參與的研究人員來自中國大陸、台灣(台大、清大、聯大)、美國、捷克和俄羅斯,此項實驗可望解釋為何宇宙中的物質遠多於反物質

『台灣微中子實驗』的故事

IceCube微中子觀測站