【專題企劃5】當高能物理實驗遇見地球科學:渺子成像術透視隧道工程上方地質結構

by Yang-Kuang Chao
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圖1. 渺子偵測器示意圖。左圖為一層的渺子偵測器,右圖為完整渺子偵測器配置,大小為20cm X 20cm X 4層,每一層包含16個閃爍器+矽光電倍增晶片讀出單元模組。

撰稿  /  張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)

渺子(muon)是一種類似電子的基本粒子,擁有類似的性質,但質量約為電子的200倍。它最早於1936年被Carl D. Anderson與他的學生 Seth Neddermeyer在雲霧室探測宇宙射線時發現。當時兩人觀察到,相同速度下(接近光速),渺子經過外加磁場的雲霧室時偏折曲率比電子小,但比質子大,顯示渺子的質量介於電子與質子之間。渺子起初被稱為mesotron,「meso-」在希臘文有「中間」的意思,當時被認為是日本物理學家湯川秀樹所假設的粒子,用以解釋有限範圍的原子核束縛力。不過後續的研究發現,湯川粒子「另有其人」――渺子與原子核交互作用非常小,它事實上是強子如π介子(meson)等衰變後的產物,而π介子正是湯川秀樹所預測的粒子。

大自然的渺子無所不在,它主要來自大氣層。高能宇宙射線射到地球進入大氣層後,與大氣分子碰撞產生π介子,帶電π介子隨後衰變成渺子與渺子微中子,這一連串產生次級粒子的過程稱為大氣簇射(air showers)。渺子因質量為電子的200倍,與物質作用產生的能量損失機制和電子不同:電子主要經由煞車輻射(bremsstrahlung)損失能量,而渺子在動量315 GeV/c以下主要能量損失來自原子的游離與激發。大氣渺子的動量分布峰值在4 GeV/c (比較氫原子的游離能13.6 eV),因此渺子具有高穿透力,可深入巨大結構中。綜合大氣渺子的豐度與它的高穿透力,開始有科學家嘗試利用渺子,從渺子通量的測量,透過反演算法回推前方渺子行經物體的厚度或密度,藉以窺探目標物的內部結構,渺子成像術(muography)因此而生。

雖然渺子成像術的實際應用最早可追溯回1950年代,Eric George利用蓋格計數器推估澳洲礦坑隧道上方的岩層厚度,但初期的相關研究並不多,一直到這世紀初一些突破,大家對渺子成像術的興趣日益俱增,成為近期蓬勃發展的研究領域。台灣科技部於2019年推出「沙克爾頓計畫」,旨在鼓勵國內優秀學者透過跨領域合作,投入突破性研究。作為沙克爾頓計畫的子計畫之一,中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授合作,提出利用渺子成像術來探測石門水庫正開挖的阿姆坪防淤隧道,這也是台灣第一個實驗高能物理與地球物理跨領域的研究計畫。阿姆坪防淤隧道於2018年4月動工,預計今年完工,屆時可發揮水庫防淤功能,延長水庫使用壽命。由於隧道開挖過程可能會遇到新店斷層,這地方有非常多的煤炭層,經常會聚集沼氣,在工程上有高度危險。團隊認為渺子成像術有取代傳統探勘方式的潛力,可讓未來的隧道工程更加安全。

郭家銘教授與中研院林志勳博士團隊在計畫中負責硬體部分,而地科系陳建志教授負責反演算法的發展。團隊成功研發出一種新型的渺子偵測器(如圖1),結合閃爍器(scintillator)與矽光電倍增晶片(SiPM)。與傳統採用光電倍增管的偵測器相比,新的偵測器具有操作電壓小(每SiPM約30V)、體積小等優點。新型渺子偵測器大小為20cm X 20cm X 4層,每一層包含16個5cm X 5cm的閃爍器。

經過軟硬體充分的測試,團隊在2021年3月中旬,進行了第一次的實地實驗,為期7個月。圖2為團隊的實驗場域,位於阿姆坪開挖中的隧道前,在右圖上標示D1點。由於渺子通量隨著天頂角θ遞減(∝ cos2 θ),阿姆坪的地勢比預期還平,需要更長的觀測時間才能得到足夠的數據。經過5個月數據的收集,團隊紀錄了D1點量測的渺子通量,比較在中央大學所測得的相同天頂角自由天空渺子通量,其比值可繪成2維的分布圖,愈高的比值代表愈低的密度,初步的分析結果已可顯示天空與山的邊界。第一次的實驗僅在單點進行,只能繪製2維密度圖,團隊預計2022年在額外兩個地點(D2點與Temple)進行實驗,希望增加的測量能讓團隊製作更好的3維密度圖。除此之外,團隊已完成建造另一座更大的渺子偵測器(40cm X 40cm X 4層)探索更大的區域。

圖2. 郭教授於阿姆坪防淤隧道的實驗場域(D1),右圖中D2與Temple為未來2022年的實驗地點。

郭教授希望他們能建造更多、更大型的渺子偵測器。他們的目標是引領台灣地球科學研究的新世紀,一旦分析技術成熟,他們將結合地磁、地電探勘的測量結果,多訊息方法為地球科學開啟全新的領域。而新型渺子偵測器的研發也能幫助郭教授擁有這項技術參與未來的高能物理實驗,正所謂「一石二鳥」。

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