臺大物理系與全球37所大學共同參與大亞灣實驗發現新的微中子振盪模式
大亞灣微中子振盪實驗團隊於三月八日發布新聞,宣布首次發現微中子新的一 種振盪模式:量測微中子於運行過程中轉換為另類微中子的概率。此項研究結 果將開啟通往物理新知的大門,未來可望能解釋宇宙中物質與反物質不對稱的 奧秘。 微中子是不帶電的粒子,在宇宙大爆炸之後就流竄於宇宙間,而且新的微中子 不停的在恆星或其它的核反應中產生。它們自由地運行於宇宙間,全然不受電 磁力的影響,僅有弱作用力及萬有引力有機會與其發生作用。大多數時間能不 受阻礙地穿透物質,包含人體、建築物或者地球。捕捉微中子對科學家來說是 一項艱鉅的挑戰,這激發了大亞灣實驗團隊的好奇心,並且著手設計與推動實 驗。 微中子振盪是什麼呢?目前已知的微中子有三種類型—電子類、緲子類和濤子 類,微中子在傳播過程中可不斷地由一類轉化成另外兩類,稱為微中子振盪現 象。微中子振盪可由六個物理參數來描述,其中部份參數已經由太陽微中子、 大氣微中子,或經由反應爐和加速器實驗量測出其值,然而尚有混合角θ13與 CP相位角δCP 兩參數待精確量測。 為測量反應機率極低的反微中子,大亞灣實驗團隊於中國廣東核電廠附近的山 中架設六組龐大微中子偵測器,用以觀測由核反應每秒所產生出數以千萬計的 微中子。並於2011年12月24日至2012年2月17日此段期間,成功擷取到萬顆電子 類反微中子。經由科學家的數據分析,首次發布精確測量到解釋微中子振盪的 重要參數「混合角 θ13」。藉由比較三處實驗站(圖1)所擷取到的反微中子數 目差異(圖2),大亞灣實驗團隊觀測到約有百分之六的反微中子在運行期間消 失,並精確計算出微中子混合角θ13的值,其結果可表示為sin2 2θ13 = 0.092+/-0.017,因此在五個標準差之下可以排除θ13為零的可能性。此實驗結 果不論反微中子消失的機率或是混合角θ13都比科學家先前所預期的大。大亞 灣實驗團隊並指出未來微中子實驗可望進一步測量出正、反微中子之間的振盪 行為差異,此實驗結果將有助於解釋宇宙中物質與反物質不對稱的問題。 大亞灣實驗探測器設置於中國廣東省深圳市大亞灣核電廠區內。廠區內的三座 核電廠是世界上發電功率最高的核電廠群之一,核反應所提供的豐富反微中子 數量,再加上其周邊的地形優勢,大亞灣堪稱世界上絕佳的微中子實驗地點。 因此大亞灣實驗團隊計畫設置八個反微中子探測器於三個不同實驗站,分別是 大亞灣近點、岭澳近點與遠點。各實驗站皆設置於鄰近核電廠的山中,藉天然 的山岩來降低宇宙射線的干擾,並提高實驗量測的精準度。兩個近點實驗站設 置於離核電廠反應爐五百公尺內距離,用以量測反應爐的反微中子產量;遠點 設置於距離反應爐約兩公里處,用以擷取經過振盪後的反微中子數量。再經由 比較近點與遠點的反微中子數量差異,θ13值可以被精準地計算出。此獨特的 實驗設計是希望藉由近端探測器所擷取到的反微中子數量估算遠端探測器應當 觀測到的反微中子數量。倘若遠端探測器所擷取到的反微中子數量比推估的數 值少,這意味著有部分反微中子從反應爐至遠端探測器約兩公里的運行距離間 消失。這種近端、遠端相對的測量方法有效地排除來自核電廠反微中子產率的 實驗誤差,這也是大亞灣實驗能夠精確測量到混合角θ13的關鍵所在。如今已 有六組探測器安置完成,大亞灣實驗團隊預計於今年夏天安裝最後兩組微中子 探測器,屆時將擷取到更多的反微中子,並能夠有更精確的實驗結果 。 大亞灣實驗由中國、美國、臺灣、香港、俄羅斯與捷克的三十七所院校,共二 百多位研究人員參與合作。臺灣團隊由國立臺灣大學、國立交通大學與國立聯 合大學組成,主要負責內層微中子偵測器製作、數據擷取系統開發以及數據分 析。 大亞灣實驗亞洲團隊由共同發言人兼中國科學院高能所所長王貽芳帶領,美方 團隊由柏克萊實驗室的Kam-Biu Luk(兼共同發言人)、William Edwards,以 及布魯克海文國家實驗室的Steve Kettell帶領。臺灣團隊則由國立臺灣大學熊 怡教授、國立交通大學林貴林教授與國立聯合大學王正祥教授帶領。