【科幻科學報 No.677】微中子 激發新物理─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 微中子 激發新物理
▌文／赫希（Martin Hirsch）、帕斯（Heinrich Päs）、波洛德（Werner Porod）
▌翻譯／李沃龍
▌提供／科學人
僅有少數的物理學家能有幸為世界引入一種新的基本粒子。包立（Wolfgang Pauli）在1930年想到微中子這個概念時，內心的疑慮使他對此粒子有所保留。包立稍後告訴同事：「我做了件可怕的事，我假設有一種無法被偵測到的粒子存在。」
微中子確實難以捉摸，它如鬼魅般的本質，使它幾乎不受阻礙地穿越物質，包括那些物理學家在粒子探測器中所使用的材料。事實上，大部份微中子可俐落地穿透地球而不碰觸到其他粒子。不過包立的憂慮稍微誇張了些：微中子其實是可以被偵測到的，雖然需要花費極大的力氣並設計精巧的實驗才能成功。
微中子是最奇特的一種基本粒子：它們不能用來建構原子，也不會與其他物質作用；它們是唯一不帶電荷的物質粒子；它們非常輕，質量不到電子這種次輕物質成份的百萬分之一；此外，微中子還是所有粒子中最善變的，它們可在三種型態（或風味）間變換身分。
80多年來，這些微小粒子一直令物理學家感到驚訝。直至今日，一些關於微中子的根本問題仍懸而未決：微中子的風味真的只有三種，抑或更多呢？為何所有的微中子都如此輕？微中子的反物質是否就是它自己？為什麼微中子可以如此輕易變換身分？
針對這些問題所設計的新實驗，正在世界各地的粒子對撞機、核反應器，甚至廢棄的礦坑裡如火如荼地進行著。所獲得的答案，應該能對大自然的內在運作方式提供基本線索。
微中子的奇異特性可做為一盞明燈，指引物理學家邁向大統一理論──該理論除了重力之外，所有的粒子與作用力，都可用條理一貫的數學架構描述。標準模型是目前關於粒子與作用力的最佳理論，但它無法含括微中子的所有複雜性質，因而亟需擴展論述。
質量輕卻關係重大
在標準模型上擴充微中子的部份，最常用的方式是引入一種稱為右旋微中子的新粒子。正如同電荷規範粒子的電性多寡一樣，自旋決定了一個粒子能感受到弱核力，即造成放射性衰變的作用力；只有左旋粒子才能感受到弱核力。因此，這些假設存在的右旋微中子，必然比那些已經被實驗證實的左旋微中子更難以捉摸。所有的微中子都被歸類為輕子（一群包含電子在內的粒子家族），這代表它們並不會感受到在原子核內把質子與中子緊箍在一起的強核力。由於不帶電荷，微中子也不會受電磁力影響。如此一來，三種已知風味的微中子能感受到的只剩下重力與弱核力，但右旋微中子甚至不受弱核力影響。
如果右旋微中子真的存在，它將合理解釋另一項微中子之謎：為何電子微中子、緲子微中子與τ微中子這三種左旋微中子的質量如此微小？
大多數基本粒子透過與無所不在的希格斯場作用，來獲得它們的質量。去年，在瑞士日內瓦附近歐洲核子研究組織（CERN）大強子對撞機（LHC）工作的物理學家宣佈，他們已辨識出一種新粒子，其性質符合長期尋找的希格斯玻色子，希格斯便成了一個家喻戶曉的名字。此玻色子是希格斯場所對應的粒子，就像光子是電磁場所對應的粒子一樣。在此過程中，希格斯粒子會帶走與其作用粒子之弱核力版本的電荷。由於右旋微中子缺乏這種電荷，它們的質量並不取決於希格斯場。取而代之的是，這些質量或許源自於一種發生於大統一時全然不同的極高能機制，造就右旋微中子成為超重粒子。
量子效應可連結右旋微中子與其左旋兄弟，使得其中一方將其巨大的質量「傳染」（infect）給其他粒子。不過，這種傳染力非常微弱：例如右旋微中子若得了肺炎，左旋微中子只會有輕微的咳嗽，這意味左旋粒子的質量將極微小，這關係稱做翹翹板機制（seesaw mechanism），就像是右旋微中子與左旋微中子在翹翹板的兩端，而質量較大的粒子會將質量較小的粒子抬起。
微中子質量的另一項解釋來自於超對稱，那是標準模型之外的新理論選項。在超對稱的假設下，每個標準模型裡的粒子都擁有一個尚未被發現的伴子。這些稱做超伴子的質量必定非常巨大，以至於到今天仍無法偵測到，而且它們至少會立即將基本粒子的數目加倍。假如超對稱粒子真的存在，LHC或許能產生它們，並測量它們的性質。
超對稱理論最吸引人的特色之一，是有一種稱為中性伴子的超對稱粒子，很適合用來解釋暗物質（這些物質構成星系與星系團的大部份質量，能夠施展重力但卻不發光，也不會以其他明顯的方式將自己顯露出來。）不過，只有當中性伴子能長期穩定存在，而不是迅速衰變為其他粒子時，才能夠做為暗物質。
因此，短命的中性伴子將會把研究人員送回黑板前重新構思，但可能對物理學家不無益處。中性伴子的穩定性取決於一種稱為R–宇稱的假設性質，它可防止超伴子衰變成任何普通的標準模型粒子。但是，如果R–宇稱不存在，中性伴子將變得不穩定，而其衰變有一部份取決於中性伴子的質量。
我們其中兩人（赫希和波洛德）與西班牙瓦倫西亞大學的維爾（JoséVale），以及葡萄牙里斯本技術大學的羅馬歐（Jorge C. Romão）合作的研究顯示，LHC可測試微中子與中性伴子的連結。如果中性伴子的穩定性確實取決於微中子，則從已知的微中子性質可預測中性伴子的壽命。碰巧的是，超對稱粒子存在的時間長短，應足以讓物理學家在LHC的偵測器裡追蹤它們從產生到衰變的整個生命歷程。
自己是自己的反物質？
所有關於微中子微小質量的可能解釋，皆指向未經探索的物理領域。但這些解釋之一的翹翹板機制，更可能與「為何物質遠多於反物質」的宇宙之謎有關。只有物質多於反物質時，宇宙結構才能形成，最終發展出生命。
標準模型裡的每個粒子，都擁有一個與其對應但帶相反電荷的反物質粒子。例如電子的電荷是-1，而反電子又稱為正子）所帶電荷則是+1。當電子與正子碰撞時，它們的電荷互相抵消，這對粒子便湮滅而放出大量輻射。右旋微中子完全不帶電的特性，可能有個重要的後果：這意味著對微中子而言，物質就等同於反物質。在物理學的專有名詞中，電子與正子屬於狄拉克（Dirac）粒子。另一方面，當粒子就是它本身所對應的反物質時，該粒子就是個馬約拉那（Majorana）粒子。
若翹翹板理論精確反映出粒子世界的運作，則左旋微中子應同時傳染到右旋微中子的質量與馬約拉那特性。換言之，如果某些微中子是它們自身的反粒子，那麼所有的微中子都會具有這樣的性質。
微中子就是它們自己的反粒子這件事，可能附有各種有趣的含意。例如：微中子可能會觸發粒子與反粒子間的轉換。在大部份的粒子反應裡，輕子數（或是輕子的數目減去反輕子的數目）是守恆的，即此數目不會改變。但微中子可能會違反這項規律，造成物質與反物質間的不平衡。對我們人類來說，這種不平衡的局面是件好事，因為如果在大霹靂之後，物質與反物質的數量相等，它們將完全互相毀滅，不留下任何東西，也就沒有可供建構星系、行星與生命形式的材料了。長久以來，物理學家和宇宙學家一直找不到物質遠多於反物質的解釋。
上演失蹤戲碼
誘人卻未最終確定的理論，並不必然會削弱微中子與它們的反粒子之間的連結。許多過去與現在的實驗，試圖透過尋找一種稱為「核子雙重β衰變」的輻射事件，來證實微中子究竟是否為它們自己的反粒子。
微中子與反微中子是在核子β衰變裡首次觀測到的，在這種反應中，一個原子會射出一個電子，伴隨一個反微中子。有些核子同位素可同時發生兩次β衰變事件，在正常狀況下射出兩個電子與兩個反微中子。但如果微中子是馬約拉那粒子，則第一次衰變所射出的那顆反微中子會被第二次的衰變吸收。結果就是沒有射出任何微中子或反微中子的雙重β衰變（參見左頁〈反物質揭密〉）。一剎那間，原本不存在輕子的地方，忽然浮現兩顆輕子（電子），卻未伴隨原本應出現的反輕子（反微中子）。換言之，這種「無微中子雙重β衰變」（neutrinoless double beta decay）違背了輕子數守恆的規律。
目前，對於一般違背輕子數守恆，與特別是對馬約拉那微中子的最佳測試，就是尋找無微中子雙重β衰變反應。原則上，無微中子雙重β衰變的實驗很簡單：收集像鍺76這樣會同步發生β衰變的核子同位素，然後等待沒有微中子伴隨的兩顆電子浮現。但實際上，這實驗很難做。由於任何一種雙重β衰變都是極稀有的事件，因此實驗人員必須蒐集大量的鍺，或其他種物質，才有希望能記錄到各種無微中子事件。更糟糕的是，宇宙射線裡的次原子粒子像雨一般不斷流入地球，可輕易蓋掉來自雙重β衰變的微弱訊號。因此，實驗人員必須把偵測器深埋入地底下，或者廢棄的礦坑，或是其他有岩石覆蓋、可以幾乎完全摒除宇宙射線的地下實驗室。
不幸的是，在義大利的海德堡–莫斯科雙重β衰變實驗團隊所報告的至今唯一一次無微中子雙重β衰變事件，受到其他物理學家嚴厲的質疑。目前正在興建或才剛開始收集數據的下一代偵測器，將會進行更周全的搜尋。在美國新墨西哥州一個稱為「濃縮氙136觀測器」（EXO-200）的實驗，和另一個位於日本的神岡液態閃爍器反微中子偵測器–無微中子雙重β衰變搜尋（KamLAND-Zen）的實驗團隊，最近公佈了他們搜尋無微中子雙重β衰變的第一份數據，雖與稍早的報告有些出入，但並未明確地將它排除。
位在義大利的鍺76偵測陣列（GERDA）實驗於2011年上線，使用與海德堡–莫斯科實驗相同的同位素於改良的裝置上，目標是直接與其前身的爭議性發現進行比較。EXO-200與KamLAND-Zen這兩個實驗目前仍持續運作，而一個稱為偶發事件低溫地底觀測站（CUORE）的儀器計畫於2014年在義大利開始收集數據。這些現正進行中的先進實驗，為這10年內確認無微中子雙重β衰變的存在，提供了一個合理的預期。
光的開關
尋找一種尚未被發現的微中子，或者證明微中子與反微中子是完全相同的粒子，都將為這些令人困惑不已的粒子增添一層全新的結構。但即使在我們物理學家探尋這些粒子的新面貌時，我們仍需努力解決它們如此善變特性背後的機制──那是一種已被清楚記錄但仍不甚明瞭的微中子特性。在研究論文中，我們會說違反輕子風味或微中子混合的數量，比夸克（建構質子與中子的基本粒子）的風味混合量還多。
全世界有許多研究團隊現正研究如何以新設想的大自然對稱性（看似截然不同的力與粒子間的關鍵共同特性）來解釋這樣的行為。一個例子是考慮源自於已知粒子間互相轉換的對稱性。在印度加爾各答薩哈核物理研究所的巴塔卡亞（Gautam Bhattacharyya）與德國多特蒙德技術大學的雷瑟爾（Philipp Leser）和我們之一（帕斯），最近發現這種對稱性會明顯影響希格斯場。改變風味的夸克和微中子與希格斯場的交互作用，會藉由希格斯玻色子奇特的衰變產物顯現出來，此應可在LHC裡觀測到。這種訊號可指出微中子超活躍的改變活動背後的機制，也必然會是LHC最驚人的發現之一。
與此同時，另一類不同的實驗想要確認粒子轉換身分的頻率。像日本的東海至神岡實驗（T2K）、美國明尼蘇達州的主注入器微中子振盪搜尋（MINOS）與義大利的微中子振盪感光追蹤儀（OPERA）長距離的實驗，偵測源自於數百公里外粒子加速器產生的微中子束，以測量微中子在穿越地球的長途旅程中風味的變化（參見第31頁〈在飛行中變換身分〉）。由於這些實驗的尺度都很大，微中子在旅途中會穿過州界、甚至國界。（2011年，由於義大利研究團隊的物理學家宣稱觀測到實驗裡的微中子似乎以超光速從CERN跑到義大利的地下實驗室，使得OPERA成了熱門新聞。不過，他們的測量很快便被證實是有瑕疵的。）相對於這些長距離的微中子實驗，法國的雙屈斯計畫（Double Chooz project）、中國的大亞灣反應器微中子實驗與南韓的微中子振盪反應器實驗（RENO），皆測量來自核反應器的微中子短距離振盪。
一直到2012年，這些實驗才終於確定了控制微中子風味轉換的參數中，最後也是最小的一個混合角。待決定的最後一個混合角稱做反應器角（reactor angle），它描述電子微中子或反微中子在短距離上的轉換機率。反應器角的測量開啟了在未來微中子實驗中，比較微中子與反微中子性質的可能性。粒子與其對應的反物質粒子間的不對稱性稱為CP違逆，研究CP違逆及無微中子雙重β衰變，可能與為何我們宇宙裡物質多於反物質的秘密有關。
在目前進行中的實驗中，T2K可能有極高的機會第一個看到CP違逆的證據。不過，這些新一代的實驗勢將競相回答微中子的關鍵問題，情況必定精采熱烈。美國目前正在興建的長基線「主注入器離軸微中子束之電子微中子出現實驗」（NOvA），也有能力發現微中子的CP違逆。NOvA將從伊利諾州巴達維亞的費米國家加速器實驗室地底發射一束微中子，穿越威斯康辛州與蘇必利爾湖一角，抵達810公里外位於明尼蘇達州艾胥河的偵測器。微中子將會在三毫秒內走完整趟旅程。
NOvA的研究目標之一，是要釐清微中子質量等級的問題：確定哪一種微中子的質量最輕，哪一種最重。目前，物理學家只知道至少有兩種微中子的質量不為零，但因這鬼魅般的粒子具有這麼多不同的性質，我們尚不清楚它們個別詳細的質量。
難以解開的謎題
由於有這麼多正在進行的微中子實驗，各自擁有不同的目標、不同的設計與不同的粒子來源，因此從世界各地所收集到的數據，有時會產生相互牴觸的詮釋。其中一個最驚人且有爭議性的實驗結果，暗示有一種稱為惰性微中子的新粒子存在。
就像翹翹板機制裡質量大許多的右旋微中子，反映出包立在1930年時的恐懼一樣，惰性微中子只能被間接偵測到。（不過，就理論而言，這兩種假設的粒子是幾乎互相排斥的。）雖然如此，有兩個實驗可能已捕獲到一小撮惰性微中子。1990年代在美國洛沙拉摩斯國家實驗室所執行的液態閃爍微中子探測器（LSND），發現了頗俱爭議的早期證據，指出存在著一種尚未被偵測到的微中子風味轉換型態：緲子反微中子變換成電子反微中子。費米實驗室的迷你升能器微中子實驗（MiniBooNE）於2007年開始產生科學數據，也暗示有這種轉換存在。但是，LSND與MiniBooNE產生的微中子振盪，並不能簡潔地符合標準的三種微中子情況。
只有當微中子具有質量，且不同風味的質量不同時，量子力學才允許微中子在不同風味之間振盪。不同的微中子質量引發微中子的變換，可以用來解釋LSND與MiniBooNE的異常，但只有在我們已知的質量差之外，還存在著另一組質量差才行。換句話說，必須有四種而非三種微中子型態存在。由於惰性微中子與弱核力耦合時，會產生Z玻色子。弱核力的粒子會迅速衰變，故此粒子將完全不與弱核力作用，因此才會以「惰性」（sterile）命名。這種假設的微中子，幾乎不和粒子家族裡的其他粒子來往。
另一類完全不同的偵測器可捕捉來自附近核反應器的微中子，也記錄到可指出惰性微中子存在的意外結果。幾個反應器實驗的數據，顯示了電子反微中子在極短的距離內異常地消失。這個結果若以微中子振盪來解釋，將意味著惰性微中子的存在。我們觀測到這異常現象已經有一段時日了，但最近重新計算來自各不同反應器的微中子輸出結果，才更加鞏固新粒子存在的可能性。
惰性微中子的證據仍不足夠，並且粗略、間接且矛盾。這些證據對於追尋一個難以捉摸且可能並不存在的粒子而言，都是意料中的事。但MiniBooNE和一個正在費米實驗室建造中的微升能器微中子實驗（MicroBooNE），可能很快就能對此事提供更加明確的證據。此外，還有一批新的實驗計畫想研究反應器的異常現象，也正在討論中。
值得注意的是，強大的LHC與針對不起眼的微中子所進行相對低能量的實驗，提供了互補的路線來探索大自然的內在運作。在包立設想其「無法被偵測到的粒子」80多年之後，微中子持續緊守着自己的秘密。不過，解開這些秘密所得到的答案，將可證明數十年來努力深入窺探微中子的私生活，是極有價值的一件事。
科學小視窗 ■ 萼形柱珊瑚包含四隱藏種
▌文／科科報編輯小組
現全球已知珊瑚約1千多種，其中「萼形柱珊瑚」長期被海洋學者用來當成研究珊瑚的最佳對象，就像是珊瑚界的實驗鼠。台灣的中研院生物多樣性研究中心研究員陳昭倫領導的國際海洋生物學研究團隊，日前分析來自全球4個海域共241種的萼形柱珊瑚樣本，發現這種珊瑚其實是包含4種隱藏種，而非只是同1種。
中研院指出，這個比對DNA的發現，對百年來學術界對萼形柱珊瑚的基礎分類，提出新認知；也可據以重新檢驗以往用此類珊瑚為對象的研究報告。這項研究發表在線上期刊《Scientific Reports》。
萼形柱珊瑚是目前珊瑚基因組已經完全解碼的物種之一，研究團隊表示，以往一些外型極為相近的珊瑚物種，因外部生長型態和骨骼特徵無法分辨，常被歸為同一個種，萼形柱珊瑚就是如此。
