山洞裡的科學家

Chieh-Yi Cheng
地中海豔陽
Published in
Nov 3, 2022

目前我們所認識到的物質、能量只是冰山一角,暗物質佔宇宙物質的85%

課堂上的物理已經讓不少學生頭昏眼花,「可是目前我們所認識到的物質、能量還只是冰山一角,根據推論,暗物質佔了宇宙中物質的85%。」巨石實驗室的研究員達達柏(Antonio D’Addabbo)解釋,暗物質既不會發光,也不對電磁波反應。不只肉眼難見,也很難透過儀器觀察,然而,看不見不代表不存在。

科學家想在黑暗中照進一點光,捕捉暗物質中作用極微弱的粒子,實驗室設置了高10公尺、直徑9.6公尺的巨大圓筒,裡面裝了3300公斤超純淨的稀有氣體「氙」(Xenon)。氙的活性很低可以排除背景值的影響,但受到粒子衝擊時仍會發出光芒,因此就像是「導火線」,一旦探測到,粒子將無所遁形。「這有助於我們理解星河與宇宙的結構。」達達柏說。

暗物質高深莫測,彷彿與現實生活脫節,但達達柏說,「電也曾經是難解的現象,如今卻是日常生活的必要,誰也離不開電。」

費米在1933年提出β衰變的弱相互作用理論,並把衰變中的中性粒子以義大利文命名為「微中子」(neutrino)。這超脫當時學說的解釋連一流期刊《自然》(Nature)都覺得太天馬行空,因此拒絕刊登。事後證明,《自然》錯過了這篇開啟物理學研究新領域的劃時代論文

微中子是性格淡定的粒子,輕飄飄且不帶電子,因此幾乎不與周遭發生反應,虛無縹緲來去無影蹤近乎隱形。在費米提出理論的25年後,才有物理學家探測到微中子,證明它的存在。只要能找到一顆,一顆微中子就可以讓天文物理與核子物理學翻開新頁。

微中子身形輕盈,比電子輕了好幾倍,但目前尚未準確測量出到底有多輕,而它衰變的特性依舊是個謎。巨石國家實驗室打造了一座名為「心臟」(Cuore)的探測器,放入988塊二氧化碲(TeO2)結晶體,希望能揭開難以捉摸的微中子神秘身世。

除了實驗室頂上戴的1400公尺「高帽」隔離宇宙射線,「心臟」還有三道鉛打造的保護牆,以隔離任何環境中的輻射。老祖宗的遺產守護著最前沿的儀器 — 二千多年前羅馬帝國沉船中的鉛塊從底部捧著「心臟」。

考古學家在1990年代於薩丁尼亞島海岸的沉船中,發現了羅馬帝國在西元前一世紀鑄造的鉛塊,「鉛的輻射雖然會在環境中衰減,但礦坑裡通常含有鈾,因此鉛塊上仍含有輻射,這會干擾到微中子的觀察。」達達柏說,羅馬人在分離鉛與銀時無意間也去掉了鈾,「在海底待了幾千年後,這些鉛塊純淨無輻射污染,成了最佳的隔離材質。」在文物保護部許可後,實驗室融化一部分的古羅馬鉛塊,放入「心臟」的底部。

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Chieh-Yi Cheng
地中海豔陽

生長在台灣,生活在義大利的記錄者和學習者,更多「地中海豔陽」下的新鮮事、前塵往事和鳥事,請到專頁繼續閱讀: https://medium.com/solemediterraneo