虛空萬色──追踪幽靈粒子至宇宙起源

2013年9月

「空即是色，我們的世界充滿幽靈（粒子）。以今晚演講廳為例，每個座位的面積，平均每秒至少有一萬億粒幽靈粒子穿過，它們會穿過整個地球，視地球如無物。」物理系朱明中教授在8月24日舉行題為「幽靈粒子與宇宙演化」的中大五十周年校慶博文公開講座中以此作開場白。

身兼大亞灣實驗香港合作組首席研究員的朱教授，多年來參與中微子（幽靈粒子的一種）研究，為的是探尋萬物起源︰「根據大爆炸理論，一百三十八億年前，宇宙只有能量，隨着宇宙膨脹，能量慢慢轉化為我們今天的物質。這裏有一個很大的問題。按對稱原則，物質和反物質的產生應該是一一對應的。但今天見到的宇宙絕大部分都是物質，極少數是反物質，反物質不知何故不見了。這是宇宙學和粒子物理學的大懸案。」科學家推斷，宇宙早期的物質比反物質多了一億分之一，憑着這些微的不對稱，卻造成了恆星、星系，甚至有了生命和現在的我們。但究竟因何有一億分之一的不對稱？

由於質量未明的中微子大量存在於宇宙中，而它們不甚遵守對稱，因此它們可能是解開宇宙物質起源謎團的鑰匙。自然界有三類中微子，每粒中微子穿越空間時會不斷在這三類之間轉變（稱為「振盪」）。中微子振盪的頻率與中微子「質量差別」直接相關，而振盪幅度則是「混合角」。透過觀察及測量「質量差別」與「混合角」，有助窺探中微子的神秘面目。

去年，大亞灣合作組發現了一種新類型的中微子「振盪」，並獲《科學》選為2012年度十大科學突破之一。今年8月22日，合作組又公布最新成果，揭示中微子的「振盪」現象與其能量變化的關係，測量出其中一個「質量差別」，並為去年公布的「混合角」提供更準確數值，為解開宇宙初期組成之謎邁進一步。

朱教授說，現時中微子成為熱門的研究課題，但下一步還需各國協作︰「在大亞灣只能量度反中微子的振盪。美國、歐洲和日本現正計劃下一代的實驗，利用加速器製造一些高能量的中微子，同時製造一些高能量的反中微子，觀測它們在穿過長距離後的振盪有沒有不同。從而量度出一個與『物質反物質不對稱』直接相關的參數。透過運算，看看結果是否能解釋那一億分之一的不對稱。」

「幽靈粒子與宇宙演化」的公開講座錄像請按此。