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臺大團隊參與「天壇陣列」研究計畫--ARA極高能宇宙微中子
南極探測現場連線記者會 物理系陳丕燊教授擔任國際共同發言人

臺灣大學一項傲視全球的創紀錄實驗成果展現--臺大天文數學館8樓現場連線南極極頂的「梁次震宇宙學與粒子天文學物理學研究中心」陳丕燊教授記者會於100年12月12日上午登場。

臺大陳丕燊教授從南極透過人造衛星連線到臺北記者會現場,介紹本校參與這項全球傑出科學家共同在南極極頂進行的「天壇陣列」(ARA Observatory)計畫。 為了飛往南極,陳丕燊教授做了將近30項的健康檢查,以適應當地零下40度的低溫環境。陳教授並且在記者會前一天親手繪製中華民國國旗,讓100百歲的中華民國國旗飄揚在同樣適逢南極登頂百年的極點上。這項研究計畫不僅是臺灣在天文物理領域的重大突破,更為民國百年與登陸南極百年的美麗巧合,增添臺大團隊參與「天壇陣列」研究計畫的非凡意義。

中華民國歷史上第一個南極科學研究計畫:天壇陣列 (ARA Observatory)
天壇陣列(ARA (Askaryan Radio Array) Observatory)為一包括美、歐、日及臺灣的大型國際合作計畫,預定未來4年內,將耗資千萬美金打造100平方公里範圍之無線電天線陣列。屆時將是全世界最大的微中子天文臺。ARA也是南極星空中天壇星座(Altar)的古希臘及拉丁文名稱。這個天文臺的「望遠鏡」是由埋在海拔3000公尺深的南極極頂冰原中的37座天線探測站所組成,以兩公里左右的間隔呈現蜂巢狀之六邊形幾何,共涵蓋100平方公里的大面積,藉以傾聽冰層下由極高能宇宙微中子所發出的訊息。在國科會及臺大梁次震中心的大力支持下,臺灣團隊將提供10座,超過總數四分之一的ARA天線站,並主導天線之研發。因此我國在此國際合作計畫中,佔有舉足輕重之地位,其計畫主持人臺大講座教授兼梁次震中心主任陳丕燊並擔任ARA國際共同發言人之重任。

今年起ARA將在南極極頂架設第一座天線實驗站,預定未來4年中建造37座天線實驗站陣列。此一超大型望遠鏡將有助於科學家解開宇宙射線來源之謎、搜尋暗物質,甚至找到宇宙起源的答案。除了可以解答宇宙天文最深處的奧祕,此超大型望遠鏡還能提供關於高能物理基本粒子交互作用獨一無二的數據。這是因為當超高能宇宙微中子和南極冰原中的質子或中子作用時,其中心能量約是目前世界上最高能量的加連器——位在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN)的「大強子對撞機」(LHC)的十倍之多。在可見的未來,這將是唯一可以提供最高能粒子物理前沿資訊的管道。

微中子望遠鏡
過去20年可說是天文物理的文藝復興期。各種望遠鏡,從無線電波到紅外線、微波、X光,不一而足。這些新型的望遠鏡帶給了我們前所未有的宇宙訊息。但是,光波容易與物質作用而被吸收,以致我們需另謀他方以探索宇宙最深處——打造微中子望遠鏡。

微中子(neutrino)是一種基本粒子,其不帶電荷,質量輕到幾乎以光速的速率前進。且其只參與「弱作用」,因此能通行無阻。而宇宙中處處皆有微中子源,因此一旦產生了微中子源,就可以穿越整個宇宙而不被吸收或阻擋。由是,科學家近年來致力於發展微中子望遠鏡。

60年代,前蘇聯物理學家阿斯卡瑞安(Askaryan)提出了一個構想,其建議利用南極洲的巨大冰層做為阻擋超高能微中子的靶,一旦超高能量微中子在冰層中和某一個原子核起了作用,產生正負電子對(electron-positron pair),正負電子對會一分為二,二分為四……造成十億、百億個正負電子對,沿著最初微中子自宇宙來到地球的方向,繼續以接近光速的速率前進。這種現象稱為「簇射」(shower)。阿斯卡瑞安(Askaryan)更注意到,依照物理定律,這些大量的正負電子簇射在冰層中繼續前進時,正子較容易被冰吸收,使得原本中性的簇射,發展成一帶電體。而帶電體在物質中以接近光速的速率前進時,會發出「切仁可夫輻射」(Cherenkov radiation)。阿斯卡瑞安(Askaryan)即主張:藉由這種輻射的無線電波頻段,科學家可以「聽見」微中子在冰層中發出的訊號。

臺灣的貢獻
臺灣團隊之計畫主持人,臺大講座教授兼梁次震中心主任陳丕燊,在過去幾年積極地在國際場合提倡ARA微中子陣列望遠鏡。在其倡議及領銜下,國際上懷抱共同理想的專家們於2009年發表一份白皮書,促成了ARA之誕生。加以國科會及梁次震中心經費的大力支持,臺灣團隊在新成立的ARA計畫中扮演關鍵角色,陳丕燊教授更榮膺ARA國際共同發言人之重任。臺灣團隊致力於設計製造最前端的天線探測器,並運用電腦模擬尋求最強增幅的天壇陣列佈陣法,甚且在理論上對微中子信號量測有極為重大的研究突破。

現在進行式
為了安裝第一座ARA天線站,陳丕燊教授已於今年12月6日抵達南極極頂,在零下30度地球最冷之處從事科學研究。此為中華民國歷史上第一個在南極的科研活動,意義極為深遠。在南極極頂期間,陳丕燊教授除了研究工作,並應美國國家科學基金會(US National Science Foundation)之邀,於12月11日在南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)發表科學講座: “High Energy Cosmic Neutrino Research in Taiwan”, 介紹臺灣的高能宇宙微中子研究工作,為臺灣創造另一項畫時代的記錄。

巧遇南極百年慶典
2011年是人類踏上南極極頂的100週年。為了紀念南極探險先驅:挪威之羅爾德•阿孟森(Roald Amundsen),以及英國之羅伯.史考特(Robert Falcon Scott),世界各地的遊客、冒險家、歷史愛好者紛紛準備以南極點之旅以追懷兩位探險英雄。南極被稱為第7大洲,是地球上最後一個被發現,也是唯一一個沒有原住民的大陸。南極大陸的總面積為1390萬平方公里,相當於中國和印巴次大陸面積的總和,排名世界各洲第5位。整個南極大陸被一巨大的冰蓋所覆蓋,平均海拔為2350米,蘊藏的礦物約220餘種。

挪威之羅爾德•阿孟森(Roald Amundsen)及其探險隊於1911年10月從鯨魚灣出發,於12月14日第一次到達南極點,成為登陸南極點的第一人。阿蒙森的競爭者英國之羅伯.史考特(Robert Falcon Scott) 在1912年1月17日鯨魚灣另一個方向進入南極點,較羅爾德•阿孟森(Roald Amundsen)遲了一個多月,。不幸的是,史考特一行在返回途中遭遇風暴全部遇難。因此,南極極頂的科學工作站即命為”Amundsen-Scott South Pole Station”以紀念兩位探險先驅。今年12月14日於南極極頂舉行百年盛大慶典,挪威總理並親自出席。

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