2017年2月16日

李世昌院士:微中子實驗是在核電廠進行的本土研究

作者/林宮玄(本刊副總編輯。)、陳其暐(本刊主編。)


1952年出生的李世昌博士,任職於中央研究院物理研究所。李世昌於2010年獲選為中研院院士,中研院院士屬榮譽頭銜,表彰其學術成就,不一定要在中研院服務。高能物理實驗一般需要非常昂貴的設施,通常為國際合作,譬如集中在瑞士歐洲核子研究組織(CERN)做實驗,但有些高能實驗還是可以完全在臺灣進行的。《科學月刊》於2016年11月介紹〈微中子的故事〉,其實我們臺灣也有微中子實驗的本土研究。

科學月刊(以下簡稱科):可請您介紹在臺灣核電廠進行的微中子實驗計劃嗎?

李世昌(以下簡稱李):核電廠能產生大量的反微中子(antineutrino),所以可以用來量反微中子的性質。反微中子就是正微中子的反物質,我們沒有分反微中子還是正微中子,就是量微中子的性質(可參考文末最後提問,了解何謂微中子)。1990年初,中研院副院長李崇道希望臺灣發展粒子物理實驗,我當時所提的十年計畫有三個重點:第一,加速器跟非加速器的實驗並重。第二,希望發展在本土做的實驗。當初很多人質疑粒子實驗只能在國外做,為什麼臺灣要發展?我說本土也可以做重要的實驗,這就是當初為什麼要做這個微中子的實驗。因為核電廠就是一個微中子的來源,所以我們只要做粒子偵測器就能做實驗。第三,我們要參與當時美國粒子對撞實驗,需要馬上組團去參加當時能量最高的對撞機實驗,就是在費米實驗室的實驗。微中子計劃就是從1992年我規劃時開始的,持續推動到現在。

一開始我們想看微中子振盪(neutrino oscillation),當時有一些跡象說可能有,看到的人就會得諾貝爾獎。但是我們沒有那麼多經費在核電廠幾十公里外偵測微中子振盪。後來我們從簡單的做起,只是在核電廠裡面做。如果離核電廠距離遠,微中子的來源就少,不容易觀測,也需要更大的偵測器。所以我們當時選擇在核電廠裡面做偵測器,微中子數量大,比較容易觀察到一些物理現象。這個核電廠的實驗,1996年我們在歐洲核子研究組織找了王子敬(現為中研院物理所研究員兼副所長)回來負責這一部份。我們有跟中國科學院的高能所合作,當時他們提出量微中子的磁矩(magnetic moment),是一個在臺灣核電廠可以做的好實驗,所以開始把量微中子磁矩當成一個重要的方向。如果能測到微中子的磁矩,就能得諾貝爾獎。

為什麼關心微中子有沒有磁矩?我們知道中子不是基本粒子,雖然沒有電荷,但有磁矩。目前認為微中子是基本粒子,如果發現微中子有磁矩,就有間接證據顯示微中子不是基本粒子。因為不是基本粒子的電荷,可以加起來是零,但每個基本粒子都有磁矩加起來可以不是零,中子是很好的例子。微中子如果是基本粒子又沒有電荷,就不會有磁矩。現在知道電子的磁矩很小,微中子的磁矩也很小,但不知道是不是零,因為我們不認為現在看到的微中子是最基本的。很可能還有更基本的,因為我們對重力沒辦法解釋。我們目前量出微中子磁矩的上限,就是磁矩一定要小於多少,我們在這方面的研究是世界領先的。有可能再量小一兩個數量級的磁矩,但要相當的投入。有一些理論模型預測,技術若能偵測再小三個數量級的磁矩,有機會量到微中子的磁矩。當然投入以後,也可能什麼都得不到,也可能得諾貝爾獎,這是為什麼王子敬不敢投入的原因。首先要開發尖端技術,展現別人沒有的能力。我們物理所具有研究技師,組團隊起來,還是可以做一些事情。但最重要的是需要大量的經費,這樣的計劃無法得到科技部支持,我們臺灣還沒有真正下決心要去做這種事情。

科:你們是在哪一個核電廠做實驗?

李:我們剛開始到核一廠,我們核一廠、核二廠都有去談。這些廠長其實都還好,我跟丁肇中先生有去核二廠訪問過,他們歷任的廠長都很支持。他們是有一點害怕,認為核電廠產生這種東西會把社會嚇壞。雖然產生這麼多粒子,但它們是不會有反應的,要看到這些粒子非常困難的,不反應就沒有什麼。(編按:粒子若不會跟人體反應,就表示對人體無害)

科:目前喊2025年非核家園,這個計畫是不是隨著核電廠而結束?

李:臺大物理系教授張慶瑞比我小五屆,他以前當理學院院長,現在當臺大副校長。最近有一次在吃飯,我就問他德國不是做得很好嗎?要把核電廠都廢掉全部用再生能源的電?他說沒有,德國就是買法國的電,而法國有很多核電廠。也就是說,所謂再生能源,至少到目前為止,實際上能夠提供的電很少,價格又貴。雖然可以投很多錢進去將再生能源發展的更快更切實際,但目前我看起來這只是妄想。也就是說,最後要非核家園,先要思考臺灣電不夠的時候,要跟哪裡買電?綠島獨立好了,在那邊放一個核電廠,我們跟綠島買電。

再生能源不是說不要做,但憑什麼說2025年可以做成?再生能源的技術發展到一個階段,也許可以大量生產降低成本,但是德國都做不到,我們憑什麼做到?德國也希望有一天不必跟法國買電,但要覺悟那個過渡期可能是無窮長,就是一直要買核電。我們也可以投入大量經費發展比較乾淨的核電,這也是一個方向,為什麼不能做這個事情?科學家都應該思想開放(open minded),只有搞政治的人……也許是故意的思想不開放。我們應該更合理的去看事情,有科學的證據來支持論點,而不是相罵,誰的聲音大誰就是對的,但科學不是這個樣子。

丁肇中先生講很多次,科學不是民主,是誰的證據對,誰就是對的,不能靠誰大聲吸引較多的群眾支持,就是對的。如果我們政治要靠這樣,所有人都會犧牲。喊口號是可以,但要告訴群眾風險。其實目前科技發展還有限,核融合有人認為不見得那麼乾淨,中間會產生中子。而且核融合已經做了50年,沒那麼容易。另外,我們認為乾淨的能源不見得真的乾淨,譬如太陽能用什麼儲存?電池。那電池乾淨嗎?電池可以用多少年?所以必須要整體考慮,不能只看單一的。譬如太陽能是乾淨的,但電池可能是很髒的。風能很好,但是如果大量使用風能,可能改變環境生態。譬如用海洋的能量也可能改變海洋生態,即使太陽能都可能改變生態。所以這些東西不是喊喊口號,必須有人用很冷靜的頭腦,全面去思考,我沒有看到有這樣全面的思考的人,很多時候都是人云亦云。

我們科學家應該從更基本的東西看證據,這些東西都是很困難的。譬如氣候變遷,有記錄的資料不過幾百年、幾千年,而且我們所有的模型都有問題。我要預測天氣,明天都預測不準,更不用說更長時間。即使有很大的電腦計算,天氣還是常常預告不準,所以天氣的預測模型有很大的問題。有時候我也問氣象學家如何預測50 年後的天氣?這都是騙人的。

科學家要有良心,不知道就說不知道,不能夠矇著眼睛瞎講,但是群眾不能接受「不知道」的解釋。我對人類是很悲觀的,整個都是在向下沉淪,科學越來越不受重視。二次大戰以後,科學在這個世界可能是最受尊敬的,大家被兩個原子彈嚇到。現在可能每況愈下,越來越不受重視。科學家自己也有問題,如果都去附和政治人物的講法,而不是憑著良心在做事情,就是先有一個成見,再想辦法去找數

據證明你的成見。這種事情太多,越來越多,跟作弊一樣,沒有良心。很多事情就是從基礎開始懂,我們並沒有辦法處理複雜的系統,我們現在能力還是有限去建好的理論模型。但是這並不是不重要,要有人去做。我是做基本的東西,當然認為基礎的東西比較重要。複雜的系統要怎麼處理,那方面可能也要有人去做。

圖一:基本粒子模型。右上角以希格斯玻色子為例子,說明本圖如何標示每個基本粒子的名字、表示符號、質量、電荷與自旋。
科:能簡單介紹什麼是微中子嗎?

李:微中子有弱作用的荷(weak charge),但是沒有電荷(electric charge)。粒子的手徵性(chirality)分為左手(left handed)和右手(right handed),左手才有弱作用的荷。微中子如果有弱作
用的荷,就是左手。那如果微中子也有右手的成份,他的右手成份就只有質量,其他什麼都沒有,沒有電荷也沒有弱作用。

微中子跟中子不同,中子不是基本粒子,主要是強作用,而微中子沒有強作用。微中子跟電子皆屬於輕子(lepton,如圖一左下區塊標示),有弱電磁(electroweak interaction)作用,而電子除了弱作用還有電磁作用。電磁作用只有一個狀態,所以只有相位,光子產生是電磁相位的改變。但是弱作用(的狀態)就像電子自旋一樣,我們叫「上」跟「下」兩個狀態。電子如果叫做下,微中子就是上,他們的荷都是二分之一,跟自旋一樣。弱作用狀態為下的輕子有三種(圖一),電子、比電子重的渺子(muon)及更重的濤子(tau)。穩定的當然都是最輕的,重的會衰變。而微中子,也就是弱作用狀態為上的輕子也是有三種,因為上的狀態是沒有帶電,所以叫微中子,而下的狀態是有帶電。相較電子家族,我們知道質量愈重的愈容易衰變,但是我們不知道微中子家族會不會衰變。電子家族跟微中子家族沒有強作用,屬於輕子。有強作用的基本粒子就是夸克,夸克是有強作用也有弱作用,當然也有上跟下的狀態。這就是我對「微中子」的解釋。

(編按:感謝受訪者李世昌校稿,確認本文正確性。特別感謝中研院物理所蘇達賢博士、張耀文先生協助潤稿協助潤稿。本次專訪,侃侃而談的李世昌院士,還介紹他目前主持的「網格計劃」,有機會在未來取代雲端技術,成為新一代資訊傳播架構;並談到與丁肇中院士合作的「AMS計劃」,在太空中架設儀器,尋找反物質與暗物質。詳情請密切關注《科學月刊》與《科技報導》刊載。)

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