探測太陽微中子─相關圖書與研究資源選介

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擷自“Physicists spot a new class of neutrinos from the sun” ScienceNews.

2015年諾貝爾物理獎由日本學者梶田隆章(Takaaki Kajita)與加拿大學者阿瑟‧麥克唐納(Arthur B. McDonald)所獲得，以表彰他們對微中子(neutrino)味轉換實驗的貢獻，該實驗證明了微中子具有質量，改變了以往相關研究的核心認知，也成為未來宇宙研究的重要依據。自然界中微中子的來源主要有二，一是來自宇宙射線在大氣中散射而產生的大氣微中子，一是由太陽內部所產生的太陽微中子。其中太陽微中子更是我們深入探索太陽組成的重要方法。最近Borexino實驗團隊1-2即利用探測太陽中不同核反應所形成的微中子帶領大家更進一步了解太陽的核心組成，該研究成果並發表在自然期刊。本篇將為讀者介紹微中子的相關特性，及其在星體研究的重要性，並介紹相關館藏資源供讀者參考。

  • 微中子及其質量3

微中子的種類有三種，分別為electron neutrino、muon neutrino、tau neutrino等。微中子常見於物質的衰變反應中。該類粒子在1932年首先由Pauli和Fermi等人所提出，以解釋中子衰變為質子反應中能量不守恆的問題。由於微中子在自然界中僅有左旋粒子存在，因此在建構標準模型(standard model)理論時，微中子必須為無質量。但是後來科學家研究發現，為解釋大氣微中子實驗結果，必須假設微中子會進行味轉換，即不同種類的微中子間會互相變換。而此種反應只有在粒子具有質量時才能解釋，因此必須修正標準模型。而目前其中ㄧ個普遍接受的理論解釋為假設微中子為一種Majorana粒子，該種粒子的特性為粒子同時為其反粒子，應用在微中子即代表實驗上看到的左旋微中子，其實同時也是右旋反微中子，因此理論便可以允許該類粒子有質量，也可以解釋微中子的味轉換特性了。

擷自Hitoshi Murayama. “The origin of neutrino mass.” Physics World. May 2002, 15 (5): 35–39. 在標準模型中，粒子透過與希格斯子(Higgs boson)碰撞，速度變慢，而獲得質量，如圖中的e, μ, t等粒子所示，在此碰撞過程中，粒子並會改變其螺旋性（左旋及右旋），而由於自然界中的微中子僅有左旋粒子存在，因此微中子(ν)和光子(γ)一樣不具質量。

 

二、太陽微中子

微中子的味轉換特性也解釋了長期以來太陽微中子實驗量測與理論預測不一致的問題。太陽的能量來自其內部的核融合反應。其主要的反應有兩個：pp chain及CNO cycle，如下圖所示。我們可以看出這兩個反應都會產生νe。而實驗發現，我們在地球上量測太陽所產生的微中子數量卻僅有理論預測的1/3。因此太陽理論模型受到強烈的挑戰。還好後來發現微中子味轉換特性，該特性正好說明量測數量差異是因為部分微中子轉換為其它種類微中子而未被實驗觀測到所造成，因而證實了太陽理論模型的正確性。

擷自The Borexino Collaboration. “Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos.” Nature volume 562, pages505–510(2018)

 

由於這些核融合反應也是宇宙中其他星體發光的原理，因此微中子的探測也變成了解其他星體組成的主要工具之一。首先，由於pp chain主要發生於質量較小的星體，而CNO cycle則是發生於質量較大的星體。因此如果我們能分析出微中子訊號的反應來源，將亦可幫助我們對星體的組成有進一步的了解。

 

三、實驗觀測

最近來自Borexino實驗團隊1即利用實驗探測出太陽中不同核反應所形成的微中子。該實驗可量測太陽中由CNO cycle所產生的微中子。如下圖所示，其中紅色實線即數據中分離出來的CNO cycle的微中子。該實驗的困難處在於由於pep-ν及210Bi的（如下圖綠線與藍色點線）數據曲線與CNO-ν的曲線相當接近，必須克服將CNO-ν的訊號從這些訊號中分離出來。該實驗團隊成功設計精密實驗分離出CNO-ν訊號，未來該方法將亦可用於分析其他星體的組成，增進我們對各類星體的認識。

擷自The Borexino Collaboration. “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun.” Nature volume 587, pages577–582(2020)

 

四、善用圖書館與資料庫尋找微中子相關研究

  1. 圖書館專書論著

想了解微中子的相關先備知識，您可以閱讀相關主題專書。至圖書館SLIM系統館藏目錄中，查詢“neutrino”，可查得以下專書論著：

 

  1. 期刊與其他類型研究文獻

想綜覽任意子的最新研究，可查詢相關主題期刊文獻。至圖書館SLIM系統整合查詢中，輸入”neutrino”，並將結果限縮在”期刊文獻”，即可取得目前有關任意子研究的最新論文。

另外，推薦您使用線上預印本(preprint)資料庫arXiv.org，許多物理領域的研究者會在研究正式發表前，提早在此宣告自己的研究成果，以獲取同儕的評論意見做為改善的方向 (詳細請參考此文章)。您可以在arXiv資料庫搜尋”neutrino”，並將檢索結果依照時間排序，了解最新的任意子研究趨勢：

五、參考文獻

  1. The Borexino Collaboration. “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun.” Nature volume 587, pages577–582(2020)
  2. “Physicists spot a new class of neutrinos from the sun” ScienceNews.
  3. Hitoshi Murayama. “The origin of neutrino mass.” Physics World. May 2002, 15 (5): 35–39

 

by物理系圖書室