卓越計畫之「宇宙學與粒子天文物理學」

計畫名稱:卓越計畫之「宇宙學與粒子天文物理學」

所屬單位:物理系

研究團隊:高能實驗室

計畫主持人:葉平

資源需求:Unix, self developed C/C++ serial program

使用期間:2004/02~2007/07

研究主題:
目前我們在進行的工作是「宇宙學與粒子天文物理學」卓越計畫中粒子天文物理學 (Particle Astrophysics) 的部分。我們正在建造一個世界上唯一的不望天郤望地的天文望遠鏡,預計將於今年下半年進駐夏威夷大島的 Mauna Loa 觀測站,遙望 40 公里之外的 Mauna Kea 大山和之間的谷地,以捕捉從太空中飛來的超高能濤微中子 (Ultra high energy tau neutrino) 在穿越大山轉變成濤粒子 (tau lepton) 之後在山谷中發出的閃光。 這個計劃所研究的主題是活躍星系核心 (active galactic nuclei) 這種巨大天體所放射出來的微中子,我在進行的,是模擬濤粒子在山谷中所發出的閃光,以了解閃光的亮度、時間特性、和空間分佈等等,來幫助望遠鏡電子系統的設計和數據的分析。超高能的濤粒子在山谷中和大氣原子碰撞時,會撞碎大氣原子,每個高能量的碎片又會再去撞其他的大氣原子,連鎖反應的結果,一個 1 千兆電子伏特 (1 PeV) 的濤粒子會生出百萬顆粒子,而每個高速的粒子都會發出閃光。模擬這樣的過程所產生的閃光需要極大的計算量。

研究內容概述:
微中子是電中性的基本粒子,共有三種:電子微中子、渺微中子、濤微中子。1998 年日本神岡地下的 Super-Kamiokande 實驗發現渺微中子在穿越地球時會大量消失,其計劃主持人小柴昌俊教授獲得 2002 年的諾貝爾獎。目前對此現象最普遍的解釋是渺微中子會「變臉」,在渺微中子和濤微中子兩種身分之間擺盪(oscillate),但因為濤微中子不易觀測,目前還沒有人看過濤微中子的出現,因此這種說法只能說成立了一半。

活躍星系核心會噴出巨量的物質 (jet),一般相信其中心有巨大的黑洞。有理論認為在它所噴出的物質中會形成強大的電磁場,將帶電粒子加速到極高的能量,如千兆電子伏特 (PeV) 甚或更高。因為帶電粒子在星系內或星系間的磁場中會偏向而失去指向性,而光子無法提供這種現象的有用資訊,不受電磁場影響又難以被物質吸收的微中子就成為觀測這種現象的最佳媒介。

粒子物理告訴我們,在 jet 中生成的微中子大約 1/3 是電子微中子、2/3 是渺微中子。既然渺微中子會變臉,飛到太陽系時,三種微中子就會各占 1/3。基本上,只有微中子能夠穿山而過,而三種微中子之中,只有濤微中子有能力在大氣中產生巨觀的閃光現象,所以這個望遠鏡如果明確地看到了從山腹出來的閃光,就會成為第一個在微中子擺盪中看到濤微中子出現的實驗!

這個實驗的成功與否,除了廣角的紫外線光學系統之外,就是高速的自製數位相機(每 25 ns 照一張)和智慧的影像辨識軟體,在一年上百兆張的照片中篩選出來自濤微中子的那幾張。濤微中子的照片和其他的背景雜訊有何分別,全賴電腦模擬的結果,因此我們日日夜夜跑程式,產生各種不同能量、不同角度、不同距離的濤微中子閃光照片和雜訊照片,為的就是不要錯過了大自然給我們的珍貴訊號。

回到上一頁