「幽靈粒子」竟是「宇宙信使」!天文學家藉由「高能微中子」首度發現「宇宙射線加速器」

2018-07-13 20:36

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天體物理學家葛蘭特(Darren Grant)形容,這就像科學家過去100年來都是「閉著眼睛聽打雷」,耳邊隆隆作響,但是不知道雷聲是如何產生。偵測到高能微中子的來源之後,科學家終於打開眼睛,看到與雷聲相伴的閃電。以去年9月22日現蹤的這顆微中子而言,就是讓科學家探知40億年前出現在40億光年外的獵戶座「耀變體」,其中一道宇宙射線衝著地球而來。

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南極冰立方微中子觀測站(IceCube Neutrino Observatory)(Icecube/NSF)
南極冰立方微中子觀測站(IceCube Neutrino Observatory)(Icecube/NSF)

「冰立方」:深藏在南極冰層中的5千個微中子感測器

至於這顆微中子到底是如何現蹤,則是歸功於一樁冰天雪地中的科學偉業。從2005年夏天開始,美國國家科學基金會(National Science Foundation)投下2億7900萬美元(新台幣84億元),在南極阿蒙森─史考特站(Amundsen–Scott South Pole Station)建立「冰立方微中子觀測站」(IceCube Neutrino Observatory)

微中子偵側(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)
微中子偵側(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

科學家與工程師利用南極夏天永晝較為溫暖(零下18度)的條件,在冰層上融化數十個深達1.6公里的洞穴,放進一串一串球型的微中子感測器,最終在南極冰層中形成一個體積1立方公里、由5160個感測器組成的「冰立方」(IceCube),也是全世界規模最大的粒子偵測裝置。

如何偵測微中子?等它撞擊原子核並放出藍光

之所以要如此大費工夫,原因在於微中子的「幽靈特質」讓它神龍見首不見尾,因此微中子感測器必須浸入水中或者埋入冰層,以濾除其他宇宙粒子造成的雜訊。微中子唯有在撞擊到某個原子核並產生帶電粒子,放出一道藍光,才有可能被偵測到。

機率多高?從原子層面來看,我們熟悉的物質其實絕大部分是「空間」,就算將一個氫原子放大到地球的規模,其中心的質子只相當於一座足球場,電子更小,而微中子只有一隻螞蟻大小。因此儘管微中子在宇宙的豐度僅此於光子(photon),但是偵側它絕非易事,偵側高能微中子更是難上加難。

微中子與冰分子的交互作用(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)
微中子與冰分子的交互作用(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

「冰立方」計畫的最新成果不但代表「高能微中子天文學」揭開新頁,也是「多信使天文學」(multimessenger astronomy)的絕佳範例,全球1000多位研究人員投入,進行各種波長──電磁波、重力波、微中子──的觀測,為一個天文學上最強而有力的現象──耀變體──驗明正身:原來它就是宇宙射線的粒子加速器(particle accelerator)。

高能微中子全球觀測(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)
高能微中子全球觀測(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

 

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