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【科學講堂】大亞灣核電廠 中微子科研基地

2017-06-07

港參與前沿基礎研究 量度兩種「口味」轉換強度

上次跟大家介紹了中微子(又稱微中子)(neutrino)這種質量微小、不帶電荷、不大跟其他物質「交往」的粒子。今天再多談一點這種粒子的另外一些特色,以及香港如何參與有關中微子的研究。

太陽中微子釋放量僅理論三分之一

前次提過科學家最先是從核子反應中偵測到中微子的存在。由此應該不難推想,我們的太陽也是不停地在放出中微子的,因為太陽正是藉由核聚變(nuclear fusion)這種核子反應而發熱發亮。研究太陽的科學家們也將中微子納入他們的考慮之內。

然而,縱使他們的理論看起來很不錯,跟其他有關太陽的觀測也很吻合,他們卻在計算太陽放出多少中微子的時候遇到了瓶頸:現實中量度到的只有理論預測的三分之一。

這是否代表我們對太陽的認識並不透徹?太陽的表面當然任由我們去觀測,但它的內核是否跟我們推論的大不相同?從太陽中心釋放的中微子比預期少,是否暗示太陽的中心停頓了?

三種「口味」 兩種「避人耳目」

從我們現在的角度看來,這個「三分之一」的差距不難理解:中微子其實就好像薯片一樣,有3種「口味(flavour)」,但神奇的是中微子會從其中一種口味變換成另一種。因此我們的理論還是正確地計算了太陽釋放出來的中微子的數量(也就是說太陽的中心好像還未有停頓下來),只不過我們所設計的觀測儀器只「捕捉」了其中一種口味:在從太陽到地球的旅程之中,一部分中微子轉變成另外兩種口味,因而避開了我們的耳目。

港大中大參與 成果超卓

這種奇妙的變換現象當然吸引了科學家研究的興趣,比方說各種「口味」之間的轉換有多頻繁?要量度這些變化,當然首先要有一個固定的中微子來源。香港的附近不正是有大亞灣核電廠嗎?核電廠利用核子反應發電的同時,也在不斷地放出中微子。

香港大學和香港中文大學,聯同世界各地的另外39間大學或科研機構,因利乘便在大亞灣核電廠附近設置了儀器,以量度其中兩種「口味」互相轉換的強度。這樣的實驗的原理也不難理解:在與核電廠距離不同的地點量度某種口味的中微子的多寡,就能知道它們之間的變換有多頻繁了。

不過,要準確地量度,就要多花點工夫:為了減低宇宙射線對測度的影響,這些儀器大多裝設於地底深處。位於加拿大的薩德伯里中微子觀測站實驗室(SNOLAB)由礦洞改建,距離地面甚至深達2,100米。

雖然大亞灣核電廠周遭的測量儀器沒有那麼深藏地下,這個利用大亞灣核電廠作科研的團隊仍能在2012年3月發表他們準確的量度結果,超越了不少世界各地的競爭對手。

小 結

前沿基礎科研有時得依賴我們有否看清自己的優勢:既然我們鄰近大亞灣核電廠,何不好好利用?誰說香港不能參與亮眼的基礎科研? ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現於香港大學理學院任職講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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