拓展視窗,看見新世界-臺灣微中子與暗物質的研究

作者/李志昌(臺灣大學生命科學系博士後研究員,科學相關報導自由撰稿人)

在組成物質的基本粒子中,微中子,是一種鮮少與其他物質產生交互作用、不帶電性、極難捕捉與偵測的粒子。基本粒子的研究,有如瞭解語言裡的字母文法一般。抽離幾個特定字母後,整部文學作品,即失去風采,或無法完整解讀。在加速器實驗室裡(最大的為位於瑞士的CERN)、在地下實驗室中(最大的為在義大利的Gran Sasso),國際的研究團隊,正努力不懈的找尋粒子物理中還不齊全的「字母」以盼能解讀這宇宙奧祕的隻字片語。而在臺灣的中央研究院物理研究所,也有一個本土的「臺灣微中子實驗」(Taiwan EXperiment On NeutrinO, TEXONO)團隊,近年來成果斐然,頗受國際同儕的肯定,這個團隊的靈魂人物就是這篇專訪的主角王子敬博士。

精益求精 享譽國際

臺灣微中子研究團隊(TEXONO),主要從事研究微中子物理和暗物質物理。世界有數以千計的研究人員正在進行微中子的研究,研究範圍非常廣泛,每個團隊研究方向有所不同。王博士簡述研究團隊的研究方向:「各團隊在這個大的領域中,需根據其經驗、技術與資源,選擇一個特定的方向,就像醫生有分外科、內科等,外科還可再細分成神經外科,或是腸胃道外科等更多細項。我們的研究方向,主要是發展能量極低區域的探測器。每個探測器技術都有其工作能區,只要將這觀察能區的極限伸展,都有機會觀察到以往尚未發掘的物理現象,這對於我們想要回答的問題有關鍵的影響。我們選擇的方向是發展可以偵測更低能量的探測器。」

臺灣微中子與暗物質研究的靈魂人物──王子敬。

核能發電的原理在於核子分裂,過程中除了釋放能量外,也因分裂後不穩定同位素的貝他(β)–衰變,產生大量的微中子。因此,核反應爐是個很強的微中子源,這正是研究微中子的理想場所。這個粒子物理實驗設施,由臺灣本地研究人員主導設計建造完成,座落於臺電國聖核能二廠內,採用重量達50噸的屏蔽體,以阻絕宇宙射線及周圍環境輻射所造成的干擾。此外,還有精密的高純鍺及閃爍晶體探測器,研發性能先進的電子儀器與電腦軟體,不管在監控探測器,擷取及分析訊號,以及顯示實驗結果,都有優越的表現。

國聖核能發電(核二)廠廠房及微中子實驗室:
(A)示意圖;(B)實驗室外觀——可見屏蔽體與控制室。

極低能量探測器,除了可作微中子的研究外,也可以偵測暗物質。2013年,TEXONO團隊在頂尖的期刊《物理評論通訊》(Physical Review Letters)發表研究成果,否定了美國研究團隊(CoGeNT)在2011年提出觀察到暗物質證據的詮釋,獲得國際重視。回憶這段故事,王博士說:「兩個實驗幾乎是同一時間用相同的工具做相同的研究工作,但是我們從一個新的思考觀點,發展與這類探測器最佳運作的配套措施,設計一個更好的量測刻度方案,結果證明這些美國團隊認為「不尋常」的訊號來源,其實是可以用其他背境事例解釋的,而非源自暗物質。科學研究就是這樣,同樣的研究問題,不只是我們關注,別人也想得到,各個不同團隊的研究,基本上是互相學習也是競爭!研究不是從零開始,而是建立在已知的研究基礎上。其實暗物質的問題依然存在,我們只是證明暗物質不在我們實際驗證的能量範圍中。這雖是我們的故事,但也是科學發展中經常會發生的事情。犯錯不代表能力低落,開始一個新的嘗試就有犯錯的風險,我們也有同樣的經驗,需要從前人的工作中攝取養分,也須感謝他人的指正。」

團隊合作 盈科後進

從千頭萬緒到進入狀況、從定性描述到定量分析,這是一個漫長的研究過程。定性的描述相對簡單,但是定量證明就比較困難。團隊要設計一個實驗,完成硬體安裝,得到的數據往往需要反覆的驗證,因此,常常需要一兩年的功夫去完成一件工作。在追尋科學發展的過程中,某一個人、某一個團隊,其個別的貢獻,只像是一幅大圖畫的一小部分而已。國際的大型計畫,都是如此完成的。一段程式編碼、一個電子零件,每一小部分必須並行運作,合作無間,才能完成任務。簡單描述在教科書上的一句話,往往就是這樣寫出來的。

每個人做的研究,有其背景,也有其願景,中研院物理所的團隊累積多年微中子與暗物質研究的基礎,有開發鍺探測器在低能量區域的經驗與工具,現階段的目標為偵測微中子與原子核之間交互作用中量子物理的同調效應。王博士分享他對未來研究的展望:「我們發展出的新探測器技術,開啟一個新的視窗,去找尋宇宙中的暗物質。同樣的技術,再往前推進,就可望在核電廠觀察到這微中子活動的新現象。暗物質的形態是什麼,我們不知道,但是核電廠的微中子是有標準模型描述的。我們希望以團隊的經驗與優勢,引領我們走向下一個目標。」

粒子物理基礎科學的研究對一般人生活有何影響呢?「我們現在每天用的網際網路www,起源於當年歐洲的粒子物理實驗組織CERN,需要分享研究數據給予各地的研究人員,以利進行協同合作,進而發展出來的工具,但是現在卻成了每個人生活中不可或缺的一部分。研究過程中衍生出來的工具,對於一般人生活中的貢獻是最直接的。醫療影像上的PET scan技術也是當初做粒子物理研究衍生而來。」王博士信手拈來,讓我們了解深奧的粒子物理研究,如何衍生出最接近生活的效益。「我們要完全了解粒子基本的物理特性後,才可以有效可靠應用,並完全掌控於實際的工作中。另外更高層面的觀點,粒子物理研究成果也是人類文化的一部分,充實了對自然真理的渴求,文明才得完滿。物理學的精髓,就是用最簡單與精準的語言,描述解釋複雜多元的自然現象。從基本粒子的形態與特性、重量、對撞的機率等微觀的測量,加上對天體現象的宏觀觀察,我們可以理解宇宙的演化與物質分佈等問題。」

大學的基礎訓練,在奠定知識的根基與培養解決問題的能力。王博士勉勵青年學子,遇到不懂的東西,不要害怕。有信心,知道自己有足夠的能力去把問題弄懂,這是科學教育對人的素質培養中最重要的一點。對於選擇以研究為志業的人,對內容的興趣是很重要的。研究人員的生活,不是每個人都可接受。有了興趣與熱忱,才能在工作的過程獲得成就感與喜悅。作為一個研究人員,除了對基本學識要有一定的理解掌握外,也須具備團隊的協調與溝通能力,與專長領域需要的深切知識,更重要的是有學會新知識的本領。除了科學的基本功夫外,與人互動、文字表達、口語溝通等,也都是學習過程中需要積極培養的能力。

學養累積 經驗傳承

王博士在香港成長,中學以前對學術的學科興趣較大,也有一定的能力,享受思考帶來喜樂,有很大的渴望往學術路線走,但是尚未形成特定的方向。後來獲得英國牛津大學的獎學金,到英國研讀物理,強化了物理的概念,體會到科學方法的美麗,瞭解到理論和實驗的互動相輔關係。更重要的是培育了對實驗物理手腦並用的樂趣,彌補了東方中小學教育在此的不足。畢業後到加州理工學院作博士生研究,選擇微中子作為研究的目標,是因為在80年代的粒子物理研究中,微中子是相對較新的領域,研究方向方法多元,正處百家爭鳴的時期。

學多一點,朝多方面發展。手中握有的工具越多,對將來發展越有優勢。王博士打趣的說:「就像婚前多交幾個男女朋友,最後再決定與哪一個過終身!」在科學研究上,每一個人需要找自己的問題,不要崇拜明星、追求潮流,但需要舞台、需要空間,同時也須專注。高中生或大學生對未來不見得看得很清楚,王博士語重心長的說:「中研院歡迎你們前來觀摩,老師們不見得、也不可能馬上把你們帶上山巔,但是可以讓你們從遠處一窺山嶺的峻偉、為之撼動,指引你們往山頂的方向。」

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