【社區異想】香港仔隧道內藏粒子實驗室 窺探宇宙奧秘? 

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近年,開拓地下空間的討論不絕於耳。除了發展商店街之外,原來地底還是進行實驗的絕佳地點。

早在80年代,香港大學研究人員開始在香港仔隧道的實驗室內,進行粒子物理實驗。隧道實驗室有甚麼特別?粒子物理又是甚麼?與我們的日常生活有甚麼關係?

梁幹莊(後排左四)、潘振聲(後排左二)與學生在實驗室內留影。他們在山洞內放置木架,增加安放探測器的地方,節省空間之餘,亦避免踐踏。(受訪者提供)

現時香港仔隧道行車繁忙,研究團體只會在夜晚進入隧道做實驗。(吳鍾坤攝)

全港唯一地下實驗室 用山石阻隔宇宙射線

可曾想過,隧道內汽車呼嘯而行的同時,原來還有一班科研人員正在探索宇宙奧秘?早於80年代初,香港仔隧道仍在興建的時候,香港大學物理系已有在該處設立實驗室的構思,計劃在裏面研究宇宙粒子。但為甚麼偏偏選址香港仔隧道?

原來,粒子物理實驗分為兩大方向:一種利用巨型而昂貴的粒子加速器進行實驗,實驗組涉及幾千人,全球最大型粒子實驗室CERN便是一例;另一種不使用加速器的實驗,則多在地底進行,減少宇宙射線的干擾,提高實驗的精確性。而香港仔隧道本身貫穿聶高信山,加上旁邊的金馬倫山,兩座山形成天然屏障,阻隔旁邊的宇宙射線,成為理想的實驗空間,令研究人員可以集中從山谷一個方向收集宇宙射線的數據,進行研究宇宙射線的實驗。

粒子物理學主要研究宇宙間物質組成的最基本單位,及其相互作用和規律等。聽起來虛無縹緲,但其實粒子物理學研究引伸出很多生活科技,例如互聯網、放射性治療及傳統映像管電視,起源都是從粒子物理而來,間接改變人類生活。

使用香港仔隧道實驗室,最令梁幹莊博士印象難忘的除了環境悶熱,便是每次實驗前與政府部門的商討。(陳穎然攝)

保留山洞原貌 沿用電話線上網

實驗室位於隧道兩條行車管道正中央,內部仍保留山洞凹凸不平的原始風貌近200平方呎的空間,放置一個探測儀器後,便變得非常狹窄。因此,研究人員想方設法,用盡每一吋空間,例如在地上設置矮木架,增加放置管狀探測器的地方。

香港大學物理系名譽副教授梁幹莊在80年代初為博士研究生,參與當時實驗的前期工作。他笑言在隧道內做實驗的辛苦事不少,例如在空氣不流通的山洞裏,只靠一把風扇通風,十分悶熱:「現在回想起來,也算是最惡劣的實驗空間了。」梁幹莊描述,因電力供應有限,探測儀器耗電,即使後來加上一部冷氣機,也需要「因住因住」,所以同學們經常汗流浹背。

80年代,實驗室內沒有冷氣,只靠一把風扇,使空氣流通。(受訪者提供)

持續7年 深宵4小時的實驗研究

今時今日,研究團隊如果使用香港仔實驗室,須事前申請,方可在夜晚進行實驗。但梁幹莊憶述:「當年做實驗,只要先打電話給隧道公司,他們會封鎖一條行車線,讓我們駕車前往,完成實驗後再恢復雙線行駛。」在隧道通車幾年後,因行車繁忙,在白天進行實驗亦非易事,所以在1980年代完成實驗後,實驗室便荒廢了。

直到2003年,香港大學參與大亞灣中微子震盪實驗(下稱「大亞灣實驗」)。大亞灣實驗透過觀察中微子與反中微子,嘗試解構宇宙「大爆炸論」,物質與反物質的數量不對稱的情況。由於香港仔實驗室的環境和地理與大亞灣實驗室相近,港大研究人員遂向政府及隧道公司申請使用,在香港仔實驗室量度宇宙射線,並模擬大亞灣實驗的探測器對宇宙射線的反應。

研究人員約在晚上12時駕車進入隧道,4時前便要離開,實驗時間十分緊迫。雖然實驗室重新啟用時,內部作小規模改裝,以減少對實驗的干擾;但因為隧道結構已經無法改動,實驗室仍以56K電話線上網,速度十分緩慢,設計實驗時便要先預想哪些資料即時傳送或稍後收集。

潘振聲博士希望未來可以重新使用實驗室,避免長期空置。(陳穎然攝)

成果獲《科學》列為年度十大科技突破 

在香港仔隧道內進行實驗,過程需要周詳考慮,政府亦會關注實驗的安全問題。其中一次,他們利用液體閃爍體(Liquid scintillator)進行實驗,當粒子通過液體閃爍體,便會發出閃光,從而捕捉粒子的數量。梁幹莊難忘當時與消防處進行近三個月的會議及文書來往,「因為那種液體很滑,他們很擔心液體是否易燃、倒瀉會否引起意外等……」經過審批之後,過程亦殊非容易,光是運送液態閃爍體便大費周章,例如請外國專家幫忙、製作搬運工具等。香港大學物理系首席講師潘振聲認為在有限的時間及條件之下,令他們以更高效率進行實驗及更細密的事前準備。他想起7年間,同事與同學經常半夜入隧道做實驗,深受他們對科學的熱誠所感動。

在2012年,大亞灣合作組成功發現新的中微子振盪模式,並量度出更精確的數值。其成果更被國際頂尖學術期刊《科學》(Science)列為年度十大科技突破。2014年,所有實驗成果報告完成後,隧道實驗室亦暫時關閉。不過,潘振聲表示,希望在未來時間、人力、資金等方面配合下,籌劃新項目在實驗室進行。

從製作實驗用液體到灌滿這個粒子探測器,工序繁複。(受訪者提供)

純科研漸受重視 但條件仍未成熟

梁幹莊則認為香港仔實驗室和大亞灣實驗乃香港科研發展的轉捩點,促使香港政府開始重視科研發展,投放更多資源。不過,他亦指出現時香港的發展條件仍未成熟,「你想做一個實驗,讓政府審批、興建實驗室、準備做實驗……起碼十年八年。當你可以開始做,人家已經做完了。」

「80年代那個實驗之後,那一類高能物理實驗在香港幾乎絕迹。因為那些實驗需要很多人力、物力、資金。而且實驗需要很多時間才會有成果,不是一做完,或者三個月便有結果。」梁幹莊說:「……當年可能以發展經濟為主,純科學研究不是很受重視,主要集中在應用方面。」潘振聲坦言香港仔實驗室的實驗未必極具震撼性或受到廣泛報導,但他認為仍具科學意義。「即使其他地方做過的實驗有同樣結果,在這裏會否一樣呢?我們可以推算,但實際也要做一次。因為科學探究的精神,要大家一起參與,科學是慢慢累積出來的,一個特別的科研成果背後,是很多科學家累積出來的成果。而每一點一滴亦讓我們了解大自然更多。」

全港唯一地下實驗室 世界罕有

潘振聲憶述參與大亞灣實驗時,與國際專家討論,才發現香港仔隧道實驗室的珍貴。「原來有地底空間做一個實驗室不是那麼容易,全世界不是很多地方都有。以大亞灣實驗室為例,要重新開墾一條隧道,掘一個新實驗空間;我們擁有這個實驗空間,其實很幸運。」

不過,與大亞灣實驗室的規模相比,梁幹莊笑言是「小巫見大巫」:「一個探測器已經比整個香港仔實驗室大。」他又補充,過去數年,校方曾向政府提出,在大嶼山興建地底實驗室,進行世界級的粒子實驗。初步計劃,實驗室規模與大亞灣實驗室相若。「當然涉及資金非常龐大,我們交了報告書,政府顧問亦做了可行性研究。」惟討論暫時沒有進展。



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