微中子天文物理简介

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1、微中子物理簡介林貴林國立交通大學物理所e-mail:glin@cc.nctu.edu.tw摘　要本文介紹微中子發現簡史，以及大氣與太陽微中子的研究概況。■552■物理雙月刊（廿四卷四期）2002年8月一、前言：近幾年來，微中子物理研究進行得如火如涂，主要原因是1998年日本Super-Kamiokande實驗組的重大發現。該實驗發現大氣微中子在抵達地底探測器途中發生振盪現象，即從某一類微中子變換成另一類微中子。這種振盪現象屬於量子效應，起因於微中子弱作用本徵態與其質量本徵態不同，並且質量本徵值之間互不相等。微中子振盪並非新觀念，理論上早有人提出，只是實驗上一直未能證實，因此也凸顯Super-

2、Kamiokande實驗的重要性。其實在Super-Kamiokande實驗前，太陽微中子實驗已進行多年，其異常結果也引發微中子振盪的想法，然而終究沒有確定結論。本文將從物理學家如何發現微中子談起，並介紹微中子振盪的研究概況。廣義而言，“微中子物理”尚包含“加速器微中子物理”，粒子物理學家藉由加速器製造微中子束以測量電弱交互作用參數及探討核子結構，限於篇幅，本文將不述及這部份。二、微中子發現簡史：微中子是物理學家Pauli所提出的想法，為了解釋β衰變的實驗結果。β衰變的示意圖如下：e－Z,AZ+1,A初始態末態圖一：β衰變示意圖上圖顯示一個原子序為Z，原子量為A的核子轉換成原子序為Z+1，原

3、子量為A的核子，並放出一個電子。如果β衰變的末態僅有兩個粒子，則依據能量、動量守恆，末態粒子只能有一種方式瓜分初始態的總動能，然而實驗上所測得的電子動能能譜卻呈現寬廣分佈如圖二所示：電子↑數0Te→Temax圖二：β衰變之電子動能能譜■552■物理雙月刊（廿四卷四期）2002年8月以當初的實驗精度，物理學家發現電子的極大動能Temax正好等於核子的能量差（MZ+1,A－MZ,A）c2。不過絕大多數的電子卻沒有帶走這麼多能量，箇中原因成謎，甚至到了讓物理學家想放棄能量守恆的地步。1931年Pauli提出微中子的想法，亦即β衰變的末態應有第三個粒子—微中子存在。有微中子帶走一部份動能，電子能譜的

4、連續分佈現象就很容易解釋了。Pauli假設微中子跟其他粒子的作用十分微弱，因此在實驗室中尚未被觀測到，他也假設微中子為電中性、無質量且自旋為1/2的粒子。電中性的假定是為了維持電荷守恆；無質量的假定是由於電子能譜的頂點Temax已經和核子能量差（MZ+1,A－MZ,A）c2相等，再也沒有多餘能量可以給微中子帶走。如果微中子有質量Mν，則微中子至少可以帶走Mνc2的能量，和上述觀察矛盾；自旋1/2的假定是為了保證角動量守恆。Pauli對微中子的性質描述並未隨著粒子物理的發展而受到挑戰，至少Glashow,Salam及Weinberg[1]的粒子物理標準模型中，微中子仍被視為無質量的粒子，並具有

5、上述其他性質。這項認知直到1998年才有改變，我們稍後會再碰觸這個問題。由於微中子的作用很微弱，使得偵測微中子成為實驗物理學家的一大挑戰。1956年Cowan和Reines終於偵測到微中子[2]，實驗所利用的反應過程為亦即運用質子捕捉微中子而產生中子及正子。其中微中子係由核子反應爐裡的β衰變所產生，由於微中子－質子的反應截面積在目前能量範圍僅有10-44cm2，因此本實驗需要大量質子來捕捉微中子。1962年，L.Lederman,M.Schwartz,J.Steinberger及他們的合作者發現了第二類微中子[3]，這類微中子被命名為νμ，有別於β衰變中的微中子νe，在本實驗之前，物理學家普

6、遍認為微中子只有一類，即使他們知道微中子亦可從π介子及μ輕子的衰變而來，如,,.Schwartz等人利用Brookhaven國家實驗室的AlternateGradientSynchrotron（A.G.S）設施產生π介子，再讓π介子衰變出的微中子與核子碰撞產生帶電粒子。實驗分析顯示這些帶電粒子為μ輕子，因此證實π介子衰變出的微中子有別於β衰變中的微中子νe。公元2000年，美國費米國家實驗室第一次直接觀測到第三類微中子ντ[4]。三、太陽微中子、大氣微中子及微中子振盪：如前言中述及，自從物理學家發現微中子後，微中子束被廣泛應用於粒子物理研究：重要成果包括發現中性流（NeutralCurren

7、t）及精密測量電弱交互作用等。在這一節，我將介紹非加速器微中子物理。在此微中子不是來自實驗室，而是來自我們熟悉的天文環境如大氣層或太陽。從大氣或太陽來的微中子帶給我們什麼訊息呢？這得從微中子的振盪（neutrinooscillation）說起。我們前面提過微中子一直被視為無質量，然而限於實驗精確度，很難證明微中子質量的確為零。反之，如果微中子有質量，即使是很小，只要不同類微中子具有不同質量，則任一類微中子在誕