以微中子看宇宙——中新网

重点提要

-微中子为天文学家提供了一种类似X光的透视能力，其性能比X光更强大。微中子是反应活性最差的次原子粒子，可以轻易穿透物质，仿佛它们根本不存在，因此能够呈现出恒星核心与其它隐匿于宇宙深处的奥秘。

-不幸的是，微中子这项如此有用的特性，也能让它们逃过望远镜的侦测。直到今年，望远镜才具备足够的灵敏度，以侦测微中子的确切来源。

-微中子有多种型态，并且可于飞行途中变换型态。这项特殊性质亦提供了额外的信息，透露出它们的源头。

2002年，诺贝尔基金会把奖项颁发给戴维斯(Ray Davis)与小柴昌俊，当时他们可供赞颂的贡献很多。戴维斯因侦测到太阳微中子而成名，那是人们第一次看见来自外层空间的微中子，它可是出了名的难以捉摸；小柴昌俊则发现了1987年超新星爆发所释放出来的微中子。他们的成果是实验上的精彩杰作，因为理论学家原先假定微中子不具质量，但这些实验确认了它们其实拥有微小质量。不过，诺贝尔基金会特别表彰的是，戴维斯与小柴昌俊为世人建立了一门全新的科学：微中子天文学。

在他们的努力下，微中子从理论上的新奇事物，摇身一变成为探索宇宙的实用工具。科学家研究微中子，除了要搜集这些粒子的性质，现在更用来揭露宇宙潜藏的某些奥秘。一个世纪前，天文学家建造的是大型光学望远镜；而今，天文学家为了看见新的事物，设计与制造出庞大的微中子望远镜，这些望远镜已经侦测到成千上万的微中子，还利用微中子拍摄出太阳的影像。过去的仪器很难把来自地球之外的与源自地球高层大气的微中子区隔开来，但到了明年此时，这些仪器应该已经有能力做到这件事情。

届时，新的发现会蜂拥而至，至于这种曾被认为无法观测的粒子，未来可能会变得不可或缺，因为有些东西无法透过光看见，但微中子可以。当我们藉由光来研究太阳时，我们只见得到它的表面，也就是最表层数百公里的气体。太阳中心核反应产生的能量驱动了阳光，而阳光则沿途不断受到各气层的吸收和发射，因此只有在穿出外层气体后，才能自由穿越太空。相对而言，透过微中子这双眼睛，我们得以直接看见太阳中心的核融合引擎，那是太阳内部温度最高的区域，只占了太阳体积的1%，微中子在此被制造出来，接着便视若无物地穿透太阳的外层。

微中子也能让我们透视超新星的内部、γ射线爆发之类的恒星爆炸事件，以及围绕于超大质量黑洞周边的气盘。目前兴建中的望远镜，每年应可在最接近我们的约50个星系里，观察到一颗超新星，以及数百次γ射线爆发，甚至许多根本未被注意到的奇怪天体。但就跟其它威力强大的工具一样，我们得花些精神才能熟悉微中子的特性。

性情淡漠的微中子

对粒子物理学家而言，微中子类似电子，不过它不带电荷，因此主导日常生活的电力和磁力对它不会发生作用。当你坐在椅子上时，电的斥力使你不会穿过椅子而跌倒；发生化学反应时，原子会交换或共享电子。当物质吸收或反射光线，带电粒子会与振荡的电磁场反应。至于不带电的微中子则会穿透固态物质，因此微中子在原子或分子物理中并不扮演任何角色，而且几乎是完全不可见的。

已知型态的微中子会参与弱核作用，这种作用与放射性β衰变以及重元素融合有关，但除非距离极短，否则弱核力是非常微弱的。因此，微中子几乎不与其它物质作用。想侦测微中子，物理学家和天文学家得监测体积庞大的物质，寻找微中子在这些物质中遗留下来的稀少痕迹。如果像天文学家预期的那样，所有宇宙微中子的能量和宇宙射线(轰击地球的质子与离子)的能量相当，那么一立方公里的物质才能捕获一件清晰的样本，最大的望远镜体积则与此相差不远。

天文学家也假设有其它类型的微中子：惰性微中子(sterile neutrino)。这种微中子性情冷淡，甚至几乎不与弱核力作用；重力或许是它们和宇宙中其它东西的主要连结。所以，侦测这些微中子的挑战性更高。

尽管性情淡漠，微中子在这出宇宙大戏中却是积极的参与者。它们是β衰变的重要副产物，而β衰变除了会加热恒星爆炸的残骸与行星内部，更是恒星核融合反应的重要步骤。大质量恒星在生命尽头发生内爆所产生的超新星，主要类型有两种，而微中子对其中一种的生成也扮演关键性的角色。内爆将恒星核心压缩成核子般的密度，并在10~15秒内释放出1058个中子。在这环境下，即便是最孤傲不群的粒子，也会被迫参与这场盛宴。在这种爆炸事件所释放出的总能量中，微中子就占了99%，也就是说，以微中子望远镜进行观测，就能看到一般望远镜错失的99%的图像，其中包括关键的早期演化过程。科学家观测1987年超新星爆发事件所发射出的微中子，便确立了恒星坍塌的基本理论。目前的微中子望远镜，则可以提供恒星坍塌、反弹及爆炸的实时动态影像。

无论微中子来自何处，它们都可毫无困难地抵达地球。不管能量多寡，它们都有办法穿透气体与尘埃，甚至横越整个宇宙，这是光做不到的，即便是γ射线这种能量最高的光，都会被宇宙微波背景辐射稀释。宇宙微波背景辐射包括大霹雳遗留下来的稀薄微波，以及长久以来所累积的星光与无线电波。具有100兆电子伏特(TeV)能量的γ射线光子，最多只能穿过数千万光年的距离。同样的，高能宇宙射线也会受到阻挡。

因此，若要探索大自然中最高能的几种现象，研究微中子是少数几种方法之一。它们或许难以捕捉，但绝对值得一试。

(摘自台湾《科学人》2010年第103期 文／盖尔米尼(Graciela B. Gelmini)、库森科(Alexander Kusenko)、卫勒(Thomas J. Weiler) 翻译／李沃龙)

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