觀微而知萬象──中大物理學家對中微子的求索
物理系
朱明中教授
中文大學物理系教授朱明中的實驗工作，研究構成萬物最細微的部分，讓我們窺探宇宙最深奧秘。
朱教授多年從事中微子研究，這種亞原子粒子無處不在，科學家對它認識卻不深。他引領團隊參加大亞灣核電站研究，取得重大突破，發現中微子的轉換方式，促進我們對宇宙演化的理解。
教授擔任大亞灣實驗中香港合作組的首席研究員，實驗確定了中微子的振盪現象，會轉換至不同類型。中微子有三類型——電子類、緲子類和濤子類，而朱教授的研究證明，電子類中微子能轉化成緲子類和濤子類。
反中微子是中微子的反物質，兩者都在宇宙大爆炸大量釋放出來，星體亦在不斷製造。核反應也會製造大量反中微子，因此實驗選址在核電站的六個反應堆附近。科學家認為這兩類型的粒子具有幾乎相同的物理特徵，因此測量反中微子可同時得到關於中微子的數據。
為了這次實驗，大亞灣核電站後的山坡深處建造了三公里長的Y型隧道，Y字的兩端管道及距離反應堆遠近的不同位置，安裝了八十噸的探測器，讓研究人員探測在特定距離反中微子的消失情況，從而計算中微子的消失量。
透過比較不同探測點數據，大亞灣實驗顯示8.4%的反中微子在到達探測器時已消失，證明已轉換。反中微子以近乎光速的速度穿梭，由於質量很小，對地心吸力反應不強，所以非常難以偵測。經過幾萬次計算，科學家證實了反中微子消失數量，正正就是轉換了的數量。
朱教授表示：「現在我們可以確信反中微子並不只是消失，而是由電子類變成另外兩類反中微子。」這證明它們都是同一粒子的一部分，只是同一物件的不同「面」。
此外，振盪顯示三類型的中微子各有不同的重量，證明中微子本身具有質量。大亞灣實驗所確定的「質量平方差」表示方式為「Δm213」，而振盪率的參數則為θ13。
中微子是宇宙中最常見的粒子，而具有質量即表示中微子亦輕微受地心吸力影響；這些發現有助提高我們對宇宙形成的認識。
朱教授指出，這微小的質量對宇宙進化論有着龐大的意義，包括了解宇宙膨脹、星系等物質的形成。
成功證實中微子由一類型轉換至另一類，亦有助探究宇宙大爆炸所造成的粒子和物質之原來形態。教授解釋說：「我們證實了這些不同類型的中微子都是相同實體的一部分，並找出中微子由一類型轉化到另一類的數量。現在，我們可以追溯至宇宙之初萬物統一之時，究竟是怎樣的。」
科學家一直百思不解：爲何宇宙中物質比反物質多？兩者應該是平衡，但這樣的宇宙會是不穩定的，反物質會不斷消滅物質。正正是這種不平衡，造成了我們的存在。
直至近年的研究中，科學家才得以確定中微子是有質量的，所以大亞灣實驗對中微子振盪率θ13的深入研究，有助解開這個神秘宇宙之謎。教授說：「這個數值不大，但相信有助解釋物質和反物質之間的不對稱現象。」
大亞灣實驗於2011年開始，並將進行至起碼2017年，全球逾二百名科學家參與。這次是香港的科學家首次參加這種大規模的物理實驗。
朱教授認為在這項全球大型研究中，作為前線實驗人員所得的經驗非常珍貴。二十幾位中大本科生和研究生學生都有參與，所學到的知識可直接應用到不同領域，例如工程學。
教授相信大亞灣實驗中所發現的中微子振盪，為人類帶來更多對粒子物理的認識，進一步鞏固「大統一理論」，即是用單一理論統一所有基本相互作用，一個用來解釋所有事物的萬有理論。
大統一理論經常被挑戰和修訂。測量θ13混合角有助排除所有不允許振盪發生的理論，因此發現θ13為構成這個理論向前邁進一大步。朱教授表示：「我很樂觀，但相信前面還有很長的路。」
倘中英文版本出現歧義，概以英文版本為準。
本文出自中大主網頁（2015年10月）
關注我們
- 中大百寶箱：
