三個穿西裝的食客為何只有一人離開?淺介2015諾貝爾物理獎「微中子振盪」

三個穿西裝的食客為何只有一人離開?淺介2015諾貝爾物理獎「微中子振盪」
Photo Credit: Nobel Prize

我們想讓你知道的是

微中子的振盪現象早在1950年代就被猜測,但直到2000年左右才由梶田隆章與加拿大的阿瑟.麥克唐納提出證明。兩人怎麼做的?

餐廳門口進來三個西裝筆挺的客人,兩個小時後,卻只看到一個穿西裝的客人離去,其他兩人呢?是進來時櫃檯人員眼花看錯,一人看成三人,還是出去時有客人從後門跑掉?

還是,其他兩個穿西裝的客人,因為餐廳太熱,吃到一半脫掉西裝,吃飽後穿著襯衫甚至汗衫走出去?

這就是著名的太陽微中子問題的一個譬喻。根據標準太陽模型,也就是依照理論模型計算,太陽發射的微中子該有的數量,來到地球後用儀器卻只觀測到三分之一的數量,其他三分之二不曉得跑到哪裡去了。

1968年美國物理學家雷蒙德.戴維斯(Raymond Davis, Jr.)在美國南達科他州霍姆斯特克建造的地下微中子探測器,就偵測到了這樣的結果。戴維斯用的偵測方法,是讓微中子與氯-37作用變成放射性同位素氬-37,然後加以計數,他因此得到2002年諾貝爾物理獎。

2002年另一位諾貝爾物理獎得主是日本的小柴昌俊,他在1982年利用東京大學的神岡微中子探測器,也觀察到了類似的現象,此外,他也偵測到了外太空超新星爆炸所釋放的微中子,開啟天體物理學新境界。然而小柴昌俊的偵測方法是利用著名的契忍可夫輻射(Cherenkov radiation),與戴維斯不同。

什麼是契忍可夫輻射?當帶電粒子以超過光的相速度(不是超過光速)在介質中運行時,粒子產生的電磁波無法傳遞出去,愈積愈多,而在粒子後頭拉出錐狀能量分布,並以輻射方式散發出去,這樣產生的光線就叫契忍可夫輻射。這現象若以聲波來比擬,類似噴射機的音爆現象,也就是飛機以超音速飛行時所產生的噪音,因為散播速度比飛機慢而累積在機頭,造成音爆。1937年蘇聯契忍可夫發現此一現象,1958年獲得諾貝爾物理獎。

小柴昌俊後來建造更大型,深埋地下一千公尺的超級神岡探測器,並帶領弟子繼續研究微中子,其中有一位傑出學生叫梶田隆章,成功觀測到了太陽微中子的振盪現象,而得到今年諾貝爾物理獎。

BREAKING NEWS The 2015 #NobelPrize in Physics is awarded to Takaaki Kajita @ The University of Tokyoand Arthur B….

Posted by Nobel Prize on 2015年10月6日

微中子有三種,電微中子、渺微中子與濤微中子,微中子振盪指的就是三種微中子之間的變換。微中子是一種基本粒子,三種微中子分別對應於電子、渺子與濤子三種基本粒子,這六種基本粒子都是輕子。有輕子就有重子,但重子不是基本粒子,而是由三個夸克組成;輕子、夸克與重子合稱費米子

除了夸克與輕子,另外有傳遞強作用力的膠子、傳遞弱作用力的W與Z玻色子、傳遞電磁波的光子,以及希格斯場的對應粒子希格斯玻色子,總共六十一種基本粒子,構成了著名的標準模型。標準模型幾乎可以解釋宇宙的基本組成,獨缺重力,不然就是大統一理論了。

微中子的振盪現象早在1950年代就被猜測,但直到2000年左右才由梶田隆章與加拿大的阿瑟.麥克唐納(Arthur McDonald)提出證明。兩人怎麼做的?

再回到穿西裝的食客。餐廳若要釐清何以三個穿西裝的客人最後變成只有一人穿西裝離開,大致上有兩個方法,一是可以在廁所門口派人注意有無客人進出換裝,二是在大門口記下穿西裝三人面貌,在離場時加以比對。

前者就是梶田隆章的作法,他觀測太陽微中子直接進入探測器的數量,以及太陽微中子從地球另一端穿越而來的數量,兩者因為抵達時間不一樣,如果微中子有振盪,就會觀測到數量不一樣的微中子,結果證明如此。而後者就是麥克唐納的作法,他用兩種觀測途徑,一種只捕捉電微中子,另一種捕捉三種微中子,結果發現數量是一比三,也證明了振盪現象。

Arthur McDonald|Photo Credit: AP/達志影像

微中子由核反應、放射性衰變產生,它不帶電,不受電磁力與強作用力影響,速度接近光速,可說來無影去無蹤,再加上三種微中子可以相互變形,簡直就是輕功高強的隱形忍者了。但梶田隆章與麥克唐納武功更高強,可以破解隱形忍者的真面目。微中子要產生振盪現象必須有質量,但在標準模型裡,微中子被假定沒有質量,兩人的發現也將改寫理論模型。

微中子最早是由天才物理學家沃爾夫岡.包立(Wolfgang Pauli)在1930年提出的假設粒子,乃為了解釋Beta衰變所產生的電子能量呈現連續變化的現象。1956年克萊德.科溫(Clyde Cowan)等人從反應爐中發現電微中子,1962年利昂.萊德曼(Leon Lederman)等人發現渺微中子,這兩組科學家後來都得到諾貝爾物理獎。至於濤微中子一直到2000年才被費米實驗室發現。

梶田隆章的老師是小柴昌俊,小柴昌俊的老師則是大名鼎鼎的朝永振一郎,師徒孫三代都為日本拿到了諾貝爾物理獎。朝永振一郎的同學是天才中的天才,二十世紀前半葉量子力學黃金年代代表人物之一的湯川秀樹,他從來沒有出國留學,卻為日本拿到了第一個諾貝爾獎,預言介子存在時才28歲。

朝永振一郎另外一位著名門生是南部陽一郎,因自發對稱性破缺得到2008年諾貝爾物理獎。梶田隆章的同門師兄弟戶塚洋二也是發現微中子振盪的功臣,但因為前幾年過世了,來不及獲獎。日本物理學家對量子物理學貢獻卓著,也證明了日本的基礎科學研究實力。

本文經作者授權刊登,原文發表於沈政男臉書

責任編輯:翁世航
核稿編輯:羊正鈺


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