推薦給想瞭解微中子以及何謂「最大之謎」的人

小時候只學過質子中子電子 原來還可以再細分成多種更小的基本粒子 其中在「極限返航」裡噬日菌的秘密武器 也是2015年諾貝爾物理獎的主題 就是這本書要介紹的「微中子」 -----以下本書簡介----- 跟前兩本分享的科普書相比，這本因為聚焦在更小的範圍，因此提到更多細節，難度也提升不少。不過作者善用比喻，書中也有許多插畫和表格，還算蠻容易理解的（至少前三章）。 我是直到看了這本書，才終於真正理解為什麼《極限返航》要拿微中子作為噬日菌儲存能量的媒介，因為只有微中子「自己就是自己的反物質」(這點在物理學界還有爭論，但總之安迪威爾拿來用了)，這在本書第二章會解釋。 至於微中子是什麼？極限返航裡面雖然拿來當重要設定，但礙於是小說沒辦法解釋，而本書第一章有非常詳細的說明。 其中最不可思議的是，物理學家在「發現」微中子以前，就「想出」微中子的存在了，這章也會介紹為什麼能「想出」微中子存在。 第三章則正式進入本書重點 (前兩章是幫讀者打基礎)——微中子的偵測。這章會提到，由於微中子不帶電又幾乎不和其他東西反應 (每秒上百兆個微中子穿過我們) ，因此很難偵測。 所以科學家其實是透過微中子打到「中子」時會產生質子和電子這一點，再去偵測產生的電子。同時也會介紹全球最大的微中子偵測器，就是位於日本神岡的「超級神岡探測器」。 第四和第五章分別介紹「超級神岡探測器」的兩大目標：分別是“證明微中子振盪理論”和“探究物理學「最大之謎」——我們為何存在？” 這兩章節比前面困難許多，但也是本書的精華所在，更是作者撰寫本書的初衷——讓大眾也能瞭解2015年拿到諾貝爾獎的研究到底是什麼，以及有多重要。 ------以下記錄各章內容----- 📌第一章 什麼是微中子？ 作者一開始先自我介紹，他任職於日本高能加速器研究機構，他們的微中子實驗會從位於茨城縣東海村的J-PARC實驗設施生成微中子，射向西方約300公里遠，位於岐阜縣神岡町的「超級神岡探測器」，因此這個實驗簡稱 T2K (Tokai to Kamioka) 實驗。

(圖片來源 https://www-neutrino.kek.jp/project/t2k/) 接下來則介紹「基本粒子」，基本粒子是一群 (目前認為) 不能再分割的最小粒子，質子和中子都是由它們構成的。

基本粒子的分類以及它們之間的作用如下圖：

不知道大家以前學化學有沒有好奇過，原子核中的質子明明帶正電，為什麼能聚在一起？這是因為夸克間有遠大於電磁力的「強力」存在。

而本書主角「微中子」，也是基本粒子的一員。 為什麼在「發現」微中子以前，科學家就能「想出」微中子的存在呢？這是因為科學家發現「中子崩壞成質子和電子」的過程，沒有遵守能量守恆定律。 沃夫岡．包立 (對，就是包立不相容原理的那個包立) 在1930年主張「是尚未被發現的粒子帶走了能量」。而物理學家恩里科．費米將這個粒子命名為「微中子」(Neutrino)，之後的科學家則在1956年證實微中子的存在。

⭐調查福島核電廠的渺子偵測器 2011年福島核電廠事故時，為了調查電廠內的狀況，必須用能夠透視的方式偵測內部，然而爐心是由鋼鐵製成，因此無法使用X光攝影。 最後調查團隊使用的是渺子偵測器，因為宇宙射線與大氣作用會產生源源不絕的渺子，而大部分渺子能夠穿透建築及反應爐。最後偵測器在長時間曝光 (或是該說曝渺子) 下，得到了爐心內的圖像。 📌第二章 反物質 作者說，B先生貸款m元給A先生，可以寫做「B-m」；相對地也可以看成A先生向B先生借錢m元，寫做「A+m」 。 這個+m和-m就是物質和它的反物質。 所有基本粒子都有反物質 (反粒子)，符號上是在上面加一橫。

大家仔細看這張表，有沒有發現哪裡怪怪的。 為什麼只有電子的反粒子跟大家的名稱不一樣勒？ 這個作者沒有解釋，所以我去查了一下，這和被發現的歷史順序與命名背景有關。因為在科學家有「反物質」的觀念以前，美國物理學家安德森就發現了和電子完全相同，只有電荷相反的粒子，並將它命名為 Positron (Positive + Electron，即正電子)。 後來陸續發現其他粒子也都有其反物質，為了系統化分類，才統一都是原本的名字加上「反（Anti-）」。 所以正電子 (Positron) 其實也是反電子 (Antielectron)，這就跟「生魚片」其實也是「死魚片」是一樣的概念。 而粒子和反粒子之間會「對生成」以及「對消滅」(前面分享的書是翻譯為「成對生成」和「成對消滅」)，這就是《極限返航》裡面噬日菌可以將能量轉為微中子，再將微中子轉為能量的設定。

但是這之中有個BUG，帶電粒子的反物質是帶相反電荷的粒子，那麼不帶電的微中子呢？ 原來不同微中子相反的不是電荷，而是「自旋」的方向。

但是這樣的「反物質」規則其實和帶電粒子是不一樣的，看下圖就很明顯，

因此我去查了一下，原來目前科學家分為兩派，一派認為左/右旋微中子是彼此的反物質，一派認為它們自己是自己的反物質。 提出後者理論的是埃托雷．馬約拉那，所以這種 “反粒子為自己本身” 的粒子又成為「馬約拉那粒子」。 ⭐微波爐的日文名字名不副實 微波爐的日文是「電子レンジ」，但是實際照射出的是電磁波，不是電子，所以應該叫「電磁レンジ」。 作者說，電磁波的平均能量只有 10 µeV (eV是電子伏特，等於1.6×10^-19焦耳)，產生電子和正電子所需的能量是 1 MeV。所以如果提高10的11次方的能量，就能在爐內發生「對生成」製造電子和正電子，成為名副其實的「電子レンジ」。 📌第三章 微中子的偵測 雖然微中子很難「直接」偵測，但是微中子打到中子時會產生質子和電子，其中電子很好偵測。 所以科學家只要準備兩種東西：「含有中子的標的」與「偵測電子的裝置」。 第一點很簡單，因為除了氫以外，所有東西都含有中子。重點在於，這個標的要很便宜。 因為微中子要打到標的裡面的中子的機率很低，因此要準備大量的標的，就不能太貴。 第二點則有技術上的問題，因為一般測電子的儀器是一種像是老式電話的「閃爍體」偵測器。不只電子，只要是帶電粒子通過，它就會發出光訊號。 但前面有說，標的物需要非常的多，也就是體積會非常大，科學家必須在這麼大的空間偵測在很低機率下打出的微少電子，但「閃爍體」太貴，無法佈滿整個空間。科學家必須設計另一種巨大的偵測器才行。 於是科學家不測電子了，而是改測電子所產生的「契忍可夫輻射」。 以前高中學過，當聲源以超過聲音的速度前進，聲波會堆積產生錐狀的衝擊波，叫做「音爆」；同樣地，當帶電粒子以超過電磁波 (光) 的速度前進，就會產生光的衝擊波，也就是「契忍可夫輻射」。因為是光波，可以在標的外圍設置滿滿的光電倍增管來偵測。 那麼到底什麼「標的」可以同時符合量多又便宜、光波可以穿透、而且電子在這個標的中的速度可以超越光？ 答案就是我們每天不可或缺的「水」。 因此這本書的封面「超級神岡探測器」，就是用一萬根光電倍增管，包圍著一個直徑和高40公尺、裝有五萬公噸超純水的巨大蓄水槽。尺寸是「神岡探測器」的17倍。 查資料的過程中，我發現今年的諾貝爾物理獎同樣也是微中子的研究，這個研究用的偵測器則是在南極冰層中打造的。 2026年諾貝爾物理學獎，獨頒給高能微中子天文學的開創者

⭐神岡探測器——有多努力，就有多幸運 書裡分享了一件很勵志的事情：其實「神岡探測器」一開始想觀測的是「質子崩壞」現象，但是因為理論錯誤而失敗告終。 於是研究團隊開始思考這個巨大的探測器是否可以用在其他實驗，並進行兩個重大改良，讓它變成微中子偵測器。 一個改良是「排除雜訊」，雖然已經蓋在神岡礦山的地底中，隔絕其他來自宇宙的輻射，但是為了排除水中物質也可能釋出輻射，整個水槽內都換成裝超純水。 另一個改良是提升數據收集系統的「時間解析度」，因為要觀測來自太空的微中子，關鍵在於超新星爆炸噴出大量微中子的短短十幾秒之間的訊號。 而在完成改良後，馬上就觀測到了大麥哲倫星系內發生超新星爆炸 (SN1987A)產生的微中子。我上網查，整個改良工程是1986年底~1987年初完成的，而觀測到的時間就在沒多久後的1987年2月23日。 📌第四章 微中子振盪 1962年三位日本教授坂田昌一、牧二郎、中川昌美提出「微中子振盪理論」，描述三種微中子在滿足條件下可以彼此相互轉換。 除了前面提到的中子崩壞時會產生微中子，核融合、宇宙射線衝擊大氣層也都會產生不同種類的微中子，而來自大氣的微中子是渺微中子。超級神岡探測器觀測發現，下方來自巴西的渺微中子，數量比起來自日本上空的渺微中子，少了非常多。 可能的原因就是「微中子振盪」：來自巴西的渺微中子抵達探測器的距離較長，因此有較多轉變成其他微中子，日本上空的渺微中子則還沒轉換成其他微中子，就已經抵達偵測器。 然而上述觀測到的「渺微中子變少」只能算「微中子振盪」的間接證據，後來科學家透過人工生成微中子，進行更精準的實驗。其中T2K實驗在2010~2013 年間，直接觀測到渺微中子轉變為電微中子的訊號，證實了微中子振盪理論。 至於理論中的「滿足條件下可以彼此相互轉換」的條件是什麼呢？ 首先，三種微中子必須彼此「混合」。在理論中，各種微中子都是三種波以不同比例疊合 (這邊要先理解波立二象性和薛丁格的貓)，而這個比例可以用「PMNS矩陣」的行列式描述 (P是代表提出微中子振盪前身的科學家龐蒂克夫，M、N、S則分別代表牧、中川、坂田)。 第二個條件則是三種成分波的波長彼此相異。疊合不同波長的波，會產生週期性變化「拍頻」，這個變化就產生了微中子種類的變化。

📌第五章 挑戰終極之謎 為何微中子探測器能夠挑戰「終極之謎」——我們為何存在呢？ 首先，「我們為何存在」這個謎題在不同領域有不同意義，學生物的人在乎的可能是生命的起源、生命的演化；學哲學的人探究的可能是形上學、存在主義；而對物理學家來說想問的是，大爆炸以後為什麼留下了大量的「物質」，造就了我們的存在。 根據前面的理論，物質和反物質應該「對生成」，奇怪的是，我們周遭有大量的「物質」，卻沒有等量的「反物質」。 回溯到138億年前的宇宙大爆炸，這時產生大量的能量，於是宇宙中會不斷發生「對生成」以及「對消滅」，能量及物質彼此不斷轉換。然而隨著宇宙膨脹、溫度下降之後，理論上能量最後不足以再發生「對生成」產生物質，宇宙間應該只剩下光才對。 然而，科學家發現在目前的宇宙中，光和物質的比例是十億：一；由此推測，在最後的「對消滅」發生之前，物質比反物質多了十億分之一。也就是說，這微小的「不對稱性」、使十億分之一的物質倖存下來，造就了各式各樣的星系、恆星、星球，以及奇蹟般的各種生命與我們。 而這個「不對稱性」稱為「CP對稱性破缺」(C代表電荷 (Charge)，P代表宇稱 (Parity))。起初這是物理學實驗觀測到的現象，後來才發現這個現象能夠解釋宇宙中的物質起源。 其中有關「夸克」的「CP對稱性破缺」理論和現象觀測目前都已完成。但是「輕子(包含電子和微中子)」部分則是理論完成，現象觀測卻還在進行中。 因此觀測並證實微中子也存在「CP對稱性破缺」，就是目前的T2K實驗目標。目前J-PARC日日夜夜地生成大量的微中子和反微中子，射向超級神岡探測器。然而要找出兩者振盪情況的差異，需要收集比證明微中子振盪還多一位數的數據，因此路途還非常遙遠。 ⭐那電子的「CP對稱性破缺」勒？ 這個部分作者沒有提，但是同樣12個基本粒子，沒道理只證明夸克和微中子家族，獨獨跳過電子家族吧？ 但是我google完之後，發現我其實看不太懂😂😂 總之電子家族的「CP對稱性破缺」目前似乎沒有理論模型，也沒有實驗觀測到。 那問題就來了，如果電子沒有「CP對稱性破缺」，為什麼宇宙中可以存在一堆電子？ 這題我google完之後，同樣發現看不太懂😂😂 總之，至少確定同屬輕子的微中子具有不對稱性，而電子可能是在之後粒子間反應生成，又基於電荷守恆的關係被留下來。 上述這一段理解不確定對不對，物理好的人請指正！ ----- 想記錄的句子~~ “分割原子，探究原子核後，發現只要組合質子和中子，就能生成任何原子。換言之，鍊金術即使在化學上不可能發生，在物理學上是有可能實現的。” “質子是二個上夸克和一個下夸克，所以(+2/3)×2+(-1/3)=+1，電荷量與電子相同，但電荷的符號相反。中子是一個上夸克和二個下夸克，所以(+2/3)+(-1/3)×2=0，正好是「中性」。” “比起相互排斥的電磁力，夸克之間存在更為強大的作用力，使其緊黏在一塊。這股力量稱為「強力」” “原本在原子核中穩定待著的中子，飛出原子核單獨存在，僅需要十五分鐘就會崩壞成質子和電子。 “想要產生成對電子和正電子，至少 (假設反應後兩者的動能為零) 需要兩者質量和分量的能量 1 MeV。 實際上，光 (γ) 肯定帶有動量，根據動量守恆定律，生成的電子和正電子的動量和必須等於光的動量。” “超新星SN1987A的觀測，常被喻為從架上掉下來的牡丹餅。或許真是如此也說不定，但若牡丹餅從架上掉下來的瞬間，沒有付出努力走到架下，也不可能接到牡丹餅。” “π介子壽命極短，會崩壞成渺子和渺微中子。換言之，大氣中會一直生成微中子落至地面，這稱為「大氣微中子」。” “不曉得為何在發生最後的對消滅之前，出現了十億分之一的數量差距。為什麼會產生這般不平衡的情況呢？解答此問題的答案，正是揭發「我們為何存在？」終極之謎的關鍵。” ------ 作者：多田將 譯者：衛宮紘 出版社：世茂 出版日：2021/02/03 ----- 發現刊誤 🔺p.56 「碰撞一次的機率僅有一百億分之二。換言之，縱向排列五十顆地球，微中子才終於能在途中碰撞到約一次。」-->五十「億」顆 🔺p.85圖片「電為中子」-->「電微中子」 🔺p.105「……更加提升的超級神探測器」-->超級神「岡」探測器