【科幻科學報 No.540】以微中子看宇宙─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 以微中子看宇宙
▌文／蓋爾米尼、庫森科、衛勒
▌譯／李沃龍
▌提供／科學人
2002年，諾貝爾基金會把獎項頒發給戴維斯（Ray Davis）與小柴昌俊，當時他們可供讚頌的貢獻很多。戴維斯因偵測到太陽微中子而成名，那是人們第一次看見來自外太空的微中子，它可是出了名的難以捉摸；小柴昌俊則發現了1987年超新星爆發所釋放出來的微中子。他們的成果是實驗上的精采傑作，因為理論學家原先假定微中子不具質量，但這些實驗確認了它們其實擁有微小質量。不過，諾貝爾基金會特別表彰的是，戴維斯與小柴昌俊為世人建立了一門全新的科學：微中子天文學。
在他們的努力下，微中子從理論上的新奇事物，搖身一變成為探索宇宙的實用工具。科學家研究微中子，除了要蒐集這些粒子的性質，現在更用來揭露宇宙潛藏的某些奧秘。一個世紀前，天文學家建造的是大型光學望遠鏡；而今，天文學家為了看見新的事物，設計與製造出龐大的微中子望遠鏡，這些望遠鏡已經偵測到成千上萬的微中子，還利用微中子拍攝出太陽的影像。過去的儀器很難把來自地球之外的與源自地球高層大氣的微中子區隔開來，但到了明年此時，這些儀器應該已經有能力做到這件事情。
屆時，新的發現會蜂擁而至，至於這種曾被認為無法觀測的粒子，未來可能會變得不可或缺，因為有些東西無法透過光看見，但微中子可以。當我們藉由光來研究太陽時，我們只見得到它的表面，也就是最表層數百公里的氣體。太陽中心核反應產生的能量驅動了陽光，而陽光則沿途不斷受到各氣層的吸收和發射，因此只有在穿出外層氣體後，才能自由穿越太空。相對而言，透過微中子這雙眼睛，我們得以直接看見太陽中心的核融合引擎，那是太陽內部溫度最高的區域，只佔了太陽體積的1%，微中子在此被製造出來，接著便視若無物地穿透太陽的外層。
微中子也能讓我們透視超新星的內部、γ射線爆發之類的恆星爆炸事件，以及圍繞於超大質量黑洞周邊的氣盤。目前興建中的望遠鏡，每年應可在最接近我們的約50個星系裡，觀察到一顆超新星，以及數百次γ射線爆發，甚至許多根本未被注意到的奇怪天體。但就跟其他威力強大的工具一樣，我們得花些精神才能熟悉微中子的特性。
性情淡漠的微中子
對粒子物理學家而言，微中子類似電子，不過它不帶電荷，因此主導日常生活的電力和磁力對它不會發生作用。當你坐在椅子上時，電的斥力使你不會穿過椅子而跌倒；發生化學反應時，原子會交換或共享電子。當物質吸收或反射光線，帶電粒子會與振盪的電磁場反應。至於不帶電的微中子則會穿透固態物質，因此微中子在原子或分子物理中並不扮演任何角色，而且幾乎是完全不可見的。
已知型態的微中子會參與弱核作用，這種作用與放射性β衰變以及重元素融合有關，但除非距離極短，否則弱核力是非常微弱的。因此，微中子幾乎不與其他物質作用。想偵測微中子，物理學家和天文學家得監測體積龐大的物質，尋找微中子在這些物質中遺留下來的稀少痕跡。如果像天文學家預期的那樣，所有宇宙微中子的能量和宇宙射線（轟擊地球的質子與離子）的能量相當，那麼一立方公里的物質才能捕獲一件清晰的樣本，最大的望遠鏡體積則與此相差不遠。
天文學家也假設有其他類型的微中子：惰性微中子（sterile neutrino）。這種微中子性情冷淡，甚至幾乎不與弱核力作用；重力或許是它們和宇宙中其他東西的主要連結。所以，偵測這些微中子的挑戰性更高。
儘管性情淡漠，微中子在這齣宇宙大戲中卻是積極的參與者。它們是β衰變的重要副產物，而β衰變除了會加熱恆星爆炸的殘骸與行星內部，更是恆星核融合反應的重要步驟。大質量恆星在生命盡頭發生內爆所產生的超新星，主要類型有兩種，而微中子對其中一種的生成也扮演關鍵性的角色。內爆將恆星核心壓縮成核子般的密度，並在10~15秒內釋放出1058個中子。在這環境下，即便是最孤傲不群的粒子，也會被迫參與這場盛宴。在這種爆炸事件所釋放出的總能量中，微中子就佔了99%，也就是說，以微中子望遠鏡進行觀測，就能看到一般望遠鏡錯失的99%的圖像，其中包括關鍵的早期演化過程。科學家觀測1987年超新星爆發事件所發射出的微中子，便確立了恆星坍塌的基本理論。目前的微中子望遠鏡，則可以提供恆星坍塌、反彈及爆炸的即時動態影像。
無論微中子來自何處，它們都可毫無困難地抵達地球。不管能量多寡，它們都有辦法穿透氣體與塵埃，甚至橫越整個宇宙，這是光做不到的，即便是γ射線這種能量最高的光，都會被宇宙微波背景輻射稀釋。宇宙微波背景輻射包括大霹靂遺留下來的稀薄微波，以及長久以來所累積的星光與無線電波。具有100兆電子伏特（TeV）能量的γ射線光子，最多只能穿過數千萬光年的距離。同樣的，高能宇宙射線也會受到阻擋。
因此，若要探索大自然中最高能的幾種現象，研究微中子是少數幾種方法之一。它們或許難以捕捉，但絕對值得一試。
變化多端的風味
微中子除了生性淡漠，還有一項與眾不同的特異功能：能夠變型。微中子就像其他基本粒子，也有三種不同型態（風味）。電子（e）有緲子（μ）與濤子（τ）兩種較重的變型，且各自擁有微中子伴侶，分別是電子微中子（ve）、緲子微中子（vμ）與濤子微中子（vτ）。
但儘管電子、緲子與濤子各有固定質量，它們微中子的質量卻不固定。假如你測量某一特定微中子的質量，你會隨機得到三種答案之一，且每種答案都具有固定的機率。反之，如果測量某一特定質量的微中子，也會得到三種風味之一。一個微中子可擁有特定的風味或特定的質量，但這兩種特性無法同時固定下來。我們以v1、v2與v3來標示微中子的質量狀態，以區分微中子的特定風味ve、vμ與vτ。
因此，微中子違背了我們對物體的基本直覺。通常，一顆籃球約600公克，而一顆棒球約150公克，但如果球就像微中子一樣的話，那表示籃球有時重達600公克，有時卻只有150公克。微中子的這種特性，其實類似於人類能同時參加好幾個群體。例如，科學家可能同時隸屬於某學術機構和某政黨派別。假如調查發現有6%的科學家是共和黨員，這並不代表6%的科學實驗室屬於共和黨，正確的說法應該是，若從一個實驗室隨機抽出100位科學家，會有6位是共和黨員。同樣的，在偵測器裡交互作用的v1微中子，會以某種機率展現出ve、vμ與vτ等不同的樣貌。
（本文由科學人提供，全文見科學人2010年第103期9月號）
科學小視窗 ■ 科學家破解小麥基因密碼
▌文／科科報編輯小組
英國研究團隊宣布他們破解了小麥基因中幾乎所有密碼，未來將有助於提高小麥產量。
全球有1/3人口以小麥為主食，根據外電報導，英國利物浦大學研究團隊完成了中國春小麥（Chinese Spring wheat）的基因圖譜草圖，未來希望能培養出更堅韌、產量更高的品種。
由於小麥基因包含170億對組成DNA的化學物質鹼基對，是人類基因的5倍，因此過去學界都認為難以定序。至於稻米和玉米的基因圖譜相對簡單，早已完成定序。
