本期文章

台灣首次極頂研究──攔截微中子

撰文/謝光萍    

南極極頂的艾孟森─史卡特南極站附近,未來將架設範圍達一百平方公里的ARA天壇陣列。







二○一一年十二月,設在南極極頂的美國科學研究站「艾孟森 ─ 史卡特南極站」(Amundsen-Scott South Pole Station)僅有零下四十度。離工作站幾公里處,工作人員正忙著施工,在厚厚的高原冰層,打出兩百公尺的洞,埋入台灣研發製造的天線。





這是台灣科學團隊首次踏上南極大陸進行科學實驗,台大物理系暨天文物理所講座教授陳丕燊領軍的「天壇陣列國際合作計畫」(Askaryan Radio Array, ARA),預計用四年時間在南極大陸架設三十七座天線測量站,範圍達一百平方公里的無線電天線陣列,完工後將是全世界最大微中子天文台。





何謂微中子?



宇宙中的所有物質都是由基本粒子組成的,基本粒子有費米子(fermion)和玻色子(boson)兩大類,費米子又分為夸克(quarks)和輕子(lepton)兩大家族,共十二個基本粒子。這十二個基本粒子中有三個是微中子,包括電微中子、渺微中子與陶微中子,佔了四分之一。不幸的是,微中子是反應活性最差的粒子,它不帶電荷,可以輕易穿透固態物質,雖然比重不低,卻很難觀測,科學家的理解也最少。大家





對天文物理學家來說,微中子是非常讓人振奮的發現。萬里迢迢、親赴南極測試ARA首座天線的陳丕燊解釋,科學家一直希望透過觀察各種粒子,來勾勒宇宙的形貌,但質子會受到宇宙紅外線及宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)影響,限制它在宇宙的穿透性。銀河系內外的磁場也容易讓質子路徑偏折。





只有質量輕到幾乎以光速前進的微中子,因為不受其他物質干擾,就算是從宇宙最邊緣之處發射出來,也能一路暢行無阻到達地球。因此,如果我們可以觀測微中子,就可以回推宇宙邊緣到底發生了什麼事,這正是ARA計畫的研究目的。





問題是,怎麼觀測微中子?





逮捕微中子



一九六○年代,俄國物理學家阿斯卡瑞安(Askaryan)提出一個有趣的概念。他認為,儘管微中子本身不帶電,它在穿透極緊密的物質時,如果湊巧與一個原子核發生交互作用,會產生一對正負電子,新產生的正子和電子又會各自產生另一對正負電子。正負電子對會一分為二、二分為四、造成十億、百億個正負電子對,沿著最初微中子自宇宙來到地球的方向,繼續以接近光速的速率前進,這種現象稱為「簇射」(shower)。





而因為正子較易被吸收,所以原本中性的「簇射」會轉變成帶電體,一般來說,光在介質中的速度會小於它在真空中的速度, 而當帶電粒子的速度超過光在介質中的速度時,會發出一種名為「切仁可夫輻射」(Cherenkov radiation)的光。科學家便可利用這個效應來觀測微中子。





「阿斯卡瑞安效應」直到二○○○年左右才由史丹佛直線加速器中心(SLAC)驗證。ANITA團隊利用SLAC加速器模擬微中子的簇射,將放射線打入沙箱、鹽礦,都產生預期中的同調微波,確認了「阿斯卡瑞安效應」。





南極的冰塊當靶



二○○六年,在史丹佛當年發現夸克存在的實驗室,陳丕燊與ANITA團隊以數噸重的大冰塊模擬南極實驗,將天線探測器用鷹架吊在半空中,觀察放射線打入冰中的狀況,也證實「阿斯卡瑞安效應」。





ANITA團隊接著把研究移師南極,只因為那裡有幾百萬年、幾千萬年累積下來三千公尺厚的冰層。這樣的巨大冰塊就像一個很厚的靶,能阻擋超高能微中子,這開啟了由台灣、英國、美國協同合作計畫ANITA(Antarctic Impulsive Transient Antenna)。





ANITA是搭載在高空氣球上的天線陣列,用NASA的高空氣象氣球,將探測器吊到南極上方三十公里,永晝的時候,可以利用太陽能電板儲電,讓它跟著南極自轉的氣旋,圍繞著南極,向下觀測南極洲巨大的冰表面是否有微中子反映訊號,兩周繞一圈,永晝結束前收回。ANITA帶回了可能的微中子證據,證明「阿斯卡瑞安效應」在南極是可行的。




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