中微子神出鬼沒如幽靈 探測器建地底捕捉

圖片來源：香港文匯報

由於中微子「神出鬼沒」的特性，加上宇宙萬物都有可能產生中微子，使得計劃捕捉和研究特定中微子的科學家大傷腦筋。中微子觀測站大多設在地底深處，以阻隔宇宙射線和周圍環境的影響，雖然此舉無法百分百篩走多餘的中微子，因為地底空氣或是探測器材料都有可能釋放中微子，但已是目前最可靠的方法。

香港《文匯報》報導，據諾貝爾獎網站介紹，日本科學家梶田隆章利用的超級神岡探測器(Super-Kamiokande)，位於日本岐阜縣一個深達1000米的廢棄礦坑內，內有一個40米高和闊的觀測槽，存有5萬噸純水及逾1.1萬個光感應器，用以偵測通過純水的微弱光線。當中微子跟水中的原子核或電子碰撞，便會產生不同的帶電荷粒子，透過偵測這些粒子發出的切連科夫輻射，研究團隊便能得知進入水槽的是哪種中微子。

研究團隊發現，從接近地面一方飛來的「μ中微子」，要較從相反方向、穿透整個地球後飛來的「μ中微子」數量為多。由於理論上地球不會對「μ中微子」造成影響，兩方向飛來的數量應該相若，因此研究員認為「μ中微子」在抵達探測器前所途經的距離，可能對其數量造成影響。

差不多同一時間，加拿大科學家麥克唐納利用加拿大安大略省地底2100米的薩德伯里中微子觀測站(SNO)，觀測從太陽飛來的「電中微子」。SNO跟超級神岡探測器設計概念相似，但以重水代替純水，以增加發生碰撞的機會。研究團隊發現檢測到的3種中微子總量符合預測，但「電中微子」數量卻少過預期，意味「電中微子」在進入探測器前，很可能轉變成另外兩種中微子「μ中微子」和「τ中微子」。

科學家綜合這兩項觀測結果後，得出中微子具有「變身」能力，能夠在空間傳播期間變換種類，而這同時證明中微子具有質量，打破以往認知。雖然科學家目前對這種神秘粒子的認知仍然十分有限，但梶田和麥克唐納的發現已被認定為粒子物理學上一次里程碑。 

繼被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子之後，諾貝爾物理學獎相隔2年再次頒予粒子物理學領域學者，本身是中微子專家的香港中文大學物理系教授朱明中坦言「頒得很密」，但中微子振盪是值得獲獎的研究，他感到非常開心。他指出近年粒子物理學不斷有新發現，令愈來愈多香港學生對基礎物理有興趣，希望有助這學科在香港發展。

朱明中表示，得獎研究的影響主要是學術上，中微子振盪證明了中微子有質量，對於建構物理學的「統一場論」非常重要。他帶領的香港研究團隊參與的大亞灣中微子實驗，2012年便成功發現了其中一種中微子振盪模式。他表示，今次物理學獎雖然只頒給兩名科學家，但其實他們的實驗背後均有一個龐大團隊。

與前年獲獎的「上帝粒子」研究相比，朱明中認為中微子振盪的重要性並不遜色，前者驗證了粒子物理學「標準模型」對希格斯玻色子的預測，但後者卻某程度上推翻了「標準模型」，迫使學界修改相關理論。

至於日常生活實際應用，朱明中表示，量度中微子數量一直是監察核反應堆運作的方法之一，中微子振盪證明了中微子會轉化為不同種類，因此當科學家發現反應堆中微子數量減少時，可以將這個因素考慮在內。

中微子更常的應用範疇是太空探索，因為宇宙間所有核反應都會產生中微子，包括恆星核心的核反應，因此透過中微子探測天體便會較觀測電磁波更容易。朱明中表示，現在學界最希望能夠觀測到宇宙大爆炸時產生的中微子，以了解當時發生的事。

大亞灣實驗大廳  圖片來源：香港文匯報

中微子看似離我們很遠，但其實在與香港一海之隔，一班來自大陸、香港、台灣、美國及俄羅斯等地學者多年來便一直進行「大亞灣中微子振盪實驗」，2012年更成功發現其中一種中微子振盪模式，揚威國際。

中微子又被稱為「幽靈粒子」，因為它們常常會「無故消失」，中微子振盪的發現雖然解開這個謎題，但學界一直未能確切掌握電中微子的轉換模式。大亞灣實驗成功發現了電中微子振盪模式，並測量出標示其轉換機率的參數「θ13」，首次為這個疑難提供了精確的答案。