追蹤中微子至宇宙起源

中大物理系朱明中教授，領導大亞灣實驗香港合作組（成員包括物理系博士研究生陳瀟聰、陸永康、譚耀豪和徐建一），多年來參與中微子研究，為的是探尋萬物起源。

大爆炸時發生甚麼事？

朱教授說︰「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。但按對稱原則，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？

神秘的中微子

中微子是在核反應中產生的不帶電粒子，是最輕的基本粒子之一。中微子有幾種不同類型，經常由一種變異成另一種（「振盪」），但穿越空間與物質時幾乎不發生相互作用。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，例如楊振寧和李政道兩位教授於1956年提出的宇稱不守恆現象（即左右不對稱），因此它們可能是解開宇宙物質起源謎團的鑰匙。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。

大亞灣實驗源起自多年前朱教授與加州大學柏克萊分校的陸錦標教授的一番閒談。核電廠的反應爐產生大量中微子，大亞灣於是成為研究中微子的理想基地。2012年，大亞灣合作組發現了一種新類型的中微子「振盪」，並獲Science選為年度十大科學突破之一。2013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」，並為前一年公布的「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。

窮追不捨

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。很多國家都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。」