追踪中微子至宇宙起源

朱明中教授(左)与参与CERN暑期计划的中大生郭家希(右)和梁乘宙(中)
紧凑渺子线圈实验所用的矽晶片追迹系统 (©CERN)
大型强子对撞机实验 (©CERN)
大亚湾近点实验室纯水池内的反中微子探测器,各为五米高、五米直径。

中大物理系朱明中教授,领导大亚湾实验香港合作组(成员包括物理系博士研究生陈潇聪陆永康谭耀豪徐建一),多年来参与中微子研究,为的是探寻万物起源。

大爆炸时发生什么事?

朱教授说∶「根据大爆炸理论,一百三十八亿年前,宇宙只有能量,随着宇宙膨胀,能量慢慢转化为我们今天的物质。但按对称原则,物质和反物质的产生应该是一一对应的。但今天见到的宇宙绝大部分都是物质,极少数是反物质,反物质不知何故不见了。这是宇宙学和粒子物理学的大悬案。」科学家推断,宇宙早期的物质比反物质多了一亿分之一,凭着这些微的不对称,却造成了恒星、星系,甚至有了生命和现在的我们。但究竟因何有一亿分之一的不对称?

神秘的中微子

中微子是在核反应中产生的不带电粒子,是最轻的基本粒子之一。中微子有几种不同类型,经常由一种变异成另一种(「振荡」),但穿越空间与物质时几乎不发生相互作用。由于质量未明的中微子大量存在于宇宙中,而它们不甚遵守对称,例如杨振宁李政道两位教授于1956年提出的宇称不守恒现象(即左右不对称),因此它们可能是解开宇宙物质起源谜团的钥匙。中微子振荡的频率与中微子「质量差别」直接相关,而振荡幅度则是「混合角」。透过观察及测量「质量差别」与「混合角」,有助窥探中微子的神秘面目。

大亚湾实验源起自多年前朱教授与加州大学柏克莱分校的陆锦标教授的一番闲谈。核电厂的反应炉产生大量中微子,大亚湾于是成为研究中微子的理想基地。2012年,大亚湾合作组发现了一种新类型的中微子「振荡」,并获Science选为年度十大科学突破之一。2013年8月22日,合作组又公布最新成果,揭示中微子的「振荡」现象与其能量变化的关系,测量出其中一个「质量差别」,并为前一年公布的「混合角」提供更准确数值,为解开宇宙初期组成之谜迈进一步。

穷追不舍

朱教授说,现时中微子成为热门的研究课题,但下一步还需各国协作∶「在大亚湾只能量度反中微子的振荡。很多国家都正计划下一代的实验,利用加速器制造一些高能量的中微子,同时制造一些高能量的反中微子,观测它们在穿过长距离后的振荡有没有不同。从而量度出一个与『物质反物质不对称』直接相关的参数。透过运算,看看结果是否能解释那一亿分之一的不对称。」