文：盧駿揚（香港中文大學通識教育基礎課程講師）
圖：香港電台
物質是由甚麼東西組成呢？最簡單的答案是——原子（atom）。Atom原意為「無法再分割的神秘東西」，不過今天即使是粒中中學生也明白原子可再拆解為質子、中子及電子。這些亞原子粒子卻又能繼續拆解為更基礎的神秘粒子，而標準模型（Standard Model）就是粒中用來形容這些粒子的理論框架。它指出了世上萬物以及粒子間的連繫均是由各種費米子（fermions）及玻色子（bosons）——及其所引發的強力、弱力與電磁力——所建構而成。神秘其中有些粒子——如夸克（quarks）——是粒中人們耳熟能詳的，也有些粒子如希格斯粒子（Higgs boson，俗稱上帝粒子）——於近年引起了公眾的神秘注意。然而今天的粒中主角中微子（neutrino）至今仍留下不少謎團待科學家解決。本集紀錄片正是跟大家介紹中微子研究的起始與發展。
中微子在標準模型中屬費米子中的輕子（leptons）。在費米子中，它並不像夸克一樣能參與在強力（strong interaction）的相互作用，它也不像電子等能參與在電磁力（electromagnetic interaction）的作用中，簡單來說，中微子就像是獨行俠一般，不喜歡跟身邊的粒子產生關係。有好一段時間科學家甚至以為它不帶質量，因此並不受重力影響。除了重力，中微子就只能參與於弱力（weak interaction）的相互作用，因此要觀察中微子並非易事，我們難以從粒子間的作用來觀測它。正因如此，中微子長久以來都為科學家帶來重重謎團。
那麼最初科學家是如何發現中微子呢？不是由觀測或實驗直接得知的，它是科學家為了應付一些無法解釋的實驗結果所提出的理論。十九世紀人們發現了放射性衰變，其中一種衰變叫「β衰變」。在β衰變，中子可藉放出電子而變為質子（或質子藉放出正電子而變為中子）。然而科學家在觀測β衰變的起始與結果時，卻發現當中有些東西不對勁。他們發覺當中子轉化為電子及質子時，有些能量不見了，令能量不守衡。此外有些自旋角動量也「不見了」，令自旋角動量也不守衡。這兩種守衡定律是物理學的基石之一，科學家當然不會輕易放棄或修改它們。但實驗結果就是這樣，那怎樣處理好呢？
物理學家華夫岡．保利提出了一個當時人們難以接受的答案：他認為β衰變的過程牽涉一些未知且難以觀測的粒子，而這粒子的出現能夠滿足守恆的要求。今天我們當然知道那就是中微子。不過對當時的人來說，這說法並不理想。在科學理論中，提出難以觀測的東西來解決問題往往叫人難以信服，因為這些說法很容易淪為特例假設（ad-hoc hypothesis）——一些單純為防止理論被推翻又缺乏實證的假設。中微子正正是這種難以觀測的粒子。如果有其他粒子會在β衰變中產生，按道理科學家該老早發現了它。但若果有些隱而未見的粒子仍未被發現，那麼它大概就是1）不帶電荷、2）沒有質量、3）能輕易穿過其他原子（不受強力影響）。正因為它甚少跟其他物質產生任何關係，所以我們難以直接或間接的觀察它，因此它才能巧妙的隱藏蹤跡。
幸好「難以觀測」不等於「無法觀測」，科學家最終還是找住了中微子的尾巴。在1956年，美國兩位物理學家克萊德．考恩及弗雷德．萊因斯決定要證明中微子的存在。要探測這隱秘的中微子，首先要有產生大量中微子的源頭。這並不難。人類當時已掌握了核子技術。核子反應堆能產生足夠的中微子讓人有機會觀測到它們。
但問題是，中微子既然獨立特行，不易與物質發生反應，那麼有甚麼辦法觀察它呢？辦法還是有的。理論上β衰變是可以逆轉的，假如一顆反中微子（anti-neutrino）打中一顆質子，這過程會反過來產生中子及正電子。正電子一出現，立即會跟電子結合湮滅，轉化成電磁波。而電磁波則是人類能夠藉儀器來觀察的。雖然中微子（或反中微子）不易與物質打交道，只要源頭能大量產生這些粒子，總會有少量的質子會被它們打中，從而讓儀器探測到它們的存在。實驗結果是正面的，克萊德．考恩及弗雷德．萊因斯第一次以實驗驗證了保利的假設，說明中微子並非子虛烏有的假設。萊因斯後來因此而獲得諾貝爾獎，可惜考恩卻因早逝而跟諾獎無緣。
這實驗只是中微子研究的起源。二十世紀不少科學家對中微子進行了更深入的研究，有些結果更顛覆了科學界的共識，甚至令人對標準模型產生質疑。至今人們仍未完全了解中微子的特性，科學家仍在努力揭開它的面紗，也許將來它能叫我們對這世界的基礎實相產生更深刻的見解。對中微子有興趣的朋友也請不要錯過本集紀錄片。
〔播出時間：2022年5月10日（二），晚上11時〕
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責任編輯：Alvin
核稿編輯：Alex