2015諾貝爾物理學獎 - 中微子振盪Neutrino Oscillation

剛公怖了今年的諾貝爾物理學獎，獎項頒贈予梶田隆章教授和Arthur McDonald教授，以表彰他們於超神岡宇宙素粒子研究所(Super-Kamiokande)和Sudbury Neutrino Observatory的中微子振盪實驗，證明了中微子存在質量。

中微子，或有人譯做微中子，是其中一種物理學發現了的輕子。

中微子是由物理學家Pauli提出，一種對電磁場沒有反應的粒子，用來解釋在核分裂的過程中，原子核的中子轉換成質子的現象。即是說，在核子反應的過程之中，會產生中微子。

Wolfgang Pauli

在原子之中，有三種粒子，分別是帶正電的質子，帶負電的電子和不帶電的中子。但粒子的型態並不是永遠不變。中子(Neutron)是有機會衰變而成為質子(Proton)，同理，質子亦有機會衰變成為中子。

舉例，中子在衰變成為質子的時候，會同時放出一粒電子和一粒反電子中微子(electron antineutrino)。

但由於中微子對任何東西都幾乎沒有反應，所以很難被測量。

不過在上世紀50年代，就已經有團隊發現了中微子，從而證實Pauli的理論。

中微子有三種型態(Flavor)，分別是electron、tau和muon。加上它們各自的反中微子，中微子家族共有六種。

(圖片來源：Particle Zoo) 

事實上這已不是第一次諾貝爾物理學頒贈予中微子的研究。對上一次於2002年頒發的物理學獎也是頒給中微子研究的。那麼究竟中微子有甚麼重要性，連諾貝爾評審委員會都要特別重視？

其實，物理學界有好多'謎題'都和中微子有關。

太陽中微子
太陽是一顆恆星，內裡不停進行核聚變反應。所以，假如核反應真的會產生中微子的話，那應該每分每秒都有數以億計的中微子穿過地球。可惜，由於中微子基本上和任何物質都不產生反應，連電磁場都不會對中微子有任何作用，所以要測量中微子就需要很精密的實驗設施。 直至上世紀六十年代，各國陸續有不同的中微子實驗進行。但問題就來了，量度得到的中微子數量，比理論預計的少了約三分之二。這個結果令物理學界緊張，因為可能我們一向認為的恆星演化理論是錯的，又或者我們對中微子的認知其實是錯的。

暗物質
物理學界普遍相信宇宙中我們看得見的物質只佔不到宇宙總構成的百分之五，其他有七成多是暗能量，百分之20以上則是暗物質。中微子正好就符合了暗物質的定義，所以普遍認為中微子是最主要的暗物質。於是量度中微子的數量和重量就成了驗證現存宇宙學和天體物理學理論的實驗，也有助我們理解宇宙的演化過程。

今年諾貝爾物理學獎所頒發的中微子振盪研究，正好解決了以上的兩個問題。在1950年代，就有物理學家預言中微子會轉換型態(Flavor)。但是，理論上中微子需要有質量，可以很少，但不可以是零。不過當時學界認為中微子沒有質量。所以證實了中微子振盪就可以定性地解決了以上的兩個問題。
 

2000年代，梶田教授就先在超神岡發現中微子會在兩種型態之間轉換，之後Arthur McDonald教授的團隊亦在加拿大的Sudbury Neutrino Observatory精確的量度了electron中子和muon、tau中子的數量（他們也還未能區分muon和tau中子），從而證實由太陽到地球的旅程中，electron中子的確進行了中微子振盪而轉換成其他的中微子型態。