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觀微而知萬象──中大物理學家對中微子的求索

物理系朱明中教授

物理系
朱明中教授


中文大學物理系教授朱明中的實驗工作,研究構成萬物最細微的部分,讓我們窺探宇宙最深奧秘。

朱教授多年從事中微子研究,這種亞原子粒子無處不在,科學家對它認識卻不深。他引領團隊參加大亞灣核電站研究,取得重大突破,發現中微子的轉換方式,促進我們對宇宙演化的理解。

教授擔任大亞灣實驗中香港合作組的首席研究員,實驗確定了中微子的振盪現象,會轉換至不同類型。中微子有三類型——電子類、緲子類和濤子類,而朱教授的研究證明,電子類中微子能轉化成緲子類和濤子類。

研究生程大龍模擬的宇宙物質分佈圖

反中微子是中微子的反物質,兩者都在宇宙大爆炸大量釋放出來,星體亦在不斷製造。核反應也會製造大量反中微子,因此實驗選址在核電站的六個反應堆附近。科學家認為這兩類型的粒子具有幾乎相同的物理特徵,因此測量反中微子可同時得到關於中微子的數據。

為了這次實驗,大亞灣核電站後的山坡深處建造了三公里長的Y型隧道,Y字的兩端管道及距離反應堆遠近的不同位置,安裝了八十噸的探測器,讓研究人員探測在特定距離反中微子的消失情況,從而計算中微子的消失量。

透過比較不同探測點數據,大亞灣實驗顯示8.4%的反中微子在到達探測器時已消失,證明已轉換。反中微子以近乎光速的速度穿梭,由於質量很小,對地心吸力反應不強,所以非常難以偵測。經過幾萬次計算,科學家證實了反中微子消失數量,正正就是轉換了的數量。

朱教授表示:「現在我們可以確信反中微子並不只是消失,而是由電子類變成另外兩類反中微子。」這證明它們都是同一粒子的一部分,只是同一物件的不同「面」。

此外,振盪顯示三類型的中微子各有不同的重量,證明中微子本身具有質量。大亞灣實驗所確定的「質量平方差」表示方式為「Δm213,而振盪率的參數則為θ13

大亞灣實驗室的反中微子探測器

中微子是宇宙中最常見的粒子,而具有質量即表示中微子亦輕微受地心吸力影響;這些發現有助提高我們對宇宙形成的認識。

朱教授指出,這微小的質量對宇宙進化論有着龐大的意義,包括了解宇宙膨脹、星系等物質的形成。

成功證實中微子由一類型轉換至另一類,亦有助探究宇宙大爆炸所造成的粒子和物質之原來形態。教授解釋說:「我們證實了這些不同類型的中微子都是相同實體的一部分,並找出中微子由一類型轉化到另一類的數量。現在,我們可以追溯至宇宙之初萬物統一之時,究竟是怎樣的。」

研究團隊在反中微子探測器模型前合照

科學家一直百思不解:爲何宇宙中物質比反物質多?兩者應該是平衡,但這樣的宇宙會是不穩定的,反物質會不斷消滅物質。正正是這種不平衡,造成了我們的存在。

直至近年的研究中,科學家才得以確定中微子是有質量的,所以大亞灣實驗對中微子振盪率θ13的深入研究,有助解開這個神秘宇宙之謎。教授說:「這個數值不大,但相信有助解釋物質和反物質之間的不對稱現象。」

大亞灣實驗於2011年開始,並將進行至起碼2017年,全球逾二百名科學家參與。這次是香港的科學家首次參加這種大規模的物理實驗。

物理系朱明中教授

朱教授認為在這項全球大型研究中,作為前線實驗人員所得的經驗非常珍貴。二十幾位中大本科生和研究生學生都有參與,所學到的知識可直接應用到不同領域,例如工程學。

教授相信大亞灣實驗中所發現的中微子振盪,為人類帶來更多對粒子物理的認識,進一步鞏固「大統一理論」,即是用單一理論統一所有基本相互作用,一個用來解釋所有事物的萬有理論。

大統一理論經常被挑戰和修訂。測量θ13混合角有助排除所有不允許振盪發生的理論,因此發現θ13為構成這個理論向前邁進一大步。朱教授表示:「我很樂觀,但相信前面還有很長的路。」

倘中英文版本出現歧義,概以英文版本為準。


 

本文出自中大網頁(2015年10月)

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