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神冈探测器─日本诺贝尔奖的制造机

  • 詹益仁

图为超级神冈探测器。The University of Tokyo

一个位于日本岐阜县温泉故乡飞驒市的神冈町,在地表1,000米以下的废弃矿坑中的大型微中子探测器「神冈探测器」,造就了近40年来,日本共3届5位的诺贝尔物理奖的得主。

1987年2月24日下午4点35分,在13秒的过程中,神冈探测器发现了11个微中子信号。而远在地球另一边南美洲智利高山上的天文望远镜,也几乎同时观测到在大麦哲伦星云内超新星的爆炸。两相比对,证实了这些微中子的信号是由此超新星爆炸所产生。在人类漫长的天文观测历史中,总共也发现不到10次的超新星爆炸,最早的一次是记载于东汉时期,公元185年。而侦测到超新星爆炸所产生的微中子,却是人类的第一次。

超新星的爆炸,只有在最初始很短的时间,会产生大量的微中子,这些微中子经历了漫长十六万年的旅程,在短短经过地球的13秒中,被神冈探测器给捕捉到了。微中子是出了名的顽固份子,因为几乎不跟任何的物质起反应,所以要捕捉到的机率非常低。太阳内部的核融合反应所产生的微中子,每天都有无数多个穿过我们的身体,我们却没有任何的感觉。另外若不是智利的天文台,同时观测到超新星的爆炸,否则也无从判断这些探测到的微中子从何而来。

人类历史上很多重大的发现都是在偶然中所产生的,此次的发现在日本被称之为「开口飞来的牡丹饼」。主持神冈探测器计划的东京大学小柴昌俊教授,当初建立的目的并不是要观测宇宙间的微中子,其真正目的是要证实质子是会衰变的。因为在大一统理论中(Grand Unified Theory),预测质子是会衰变的。因此小柴教授在球型探测器的核心放置了三千吨的纯水(质子),以及在球的外围装上1,000只光电倍增器,而在地下深处可避免宇宙射线的干扰,从事质子衰变的实验。但是经过几年的努力,却毫无任何的结果,证实质子衰变的半衰期是超过理论所预测的。因此小柴教授的团队转而将神冈探测器,做宇宙微中子探测的实验。幸运之神终于降临给准备好的神冈探测器,在关键的13秒钟,记录了微中子的信号。小柴教授也因为此一发现,于2002年荣获诺贝尔物理奖。

日本在粒子物理理论的发展一直扮演重要的角色,并且一脉相传。由三十年代汤川秀树的介子理论,到四十年代朝永振一郎的量子电动力学。小柴教授是师承朝永振一郎,接下来登场的小林及益川等2位教授在粒子物理理论上的贡献,也算是承袭了汤川秀树。汤川秀树于1949年荣获诺贝尔物理奖,对于二战后的日本,起了很大的鼓舞作用。朝永振一郎也于1965年荣获诺贝尔物理奖。

在基本粒子标准模型中,夸克、轻子与微中子各有3个时代,其族群中计有6种夸克、3种轻子、3种微中子,以及它们的反粒子。在绝大多数的作用力,如强作用力、弱作用力及电磁作用力,都发生在同一个时代内。然而在七十年代京都大学的小林诚及益川敏英等2位教授所提出的理论中,预测若有作用力是发生在不同时代之间的,会导致了电荷与宇称(CP)不对称,也就是守恒律的破坏,简言之就是粒子与反粒子的寿命会不一样。而由日本筑波市高能加速器研究所所产生的微中子,在射向250公里外的神冈传感器的过程中,证实了微中子在时代间是会发生转换,也就是所谓的微中子振荡。此时的神冈探测器已经进入了第二代,核心储存了5万吨的水及放置1万只光电倍增器。

微中子的震荡不仅证实了小林与益川的理论,同时也间接地说明了,目前所存在的宇宙都是由正物质所组成。在混沌之初,宇宙瞬间的爆炸,当时的世界是正反物质同时皆存在,但在逐渐冷却的过程中,由于CP守恒律的破坏,只要正物质与反物质的寿命有百万分之一的差异,在宇宙138亿年的悠悠岁月中,最后所淬练下来就只剩正物质的世界。这实验上的证实,2008年诺贝尔奖委员会颁给了小林及益川等2位教授物理奖,同时也颁给了在六十年代提出对称破坏理论的南部阳一郎教授。

微中子的振荡同时也间接证明了微中子是具有少许的质量,推翻了基本粒子标准模型中,所预测微中子是不具有质量的假说。而负责此实验的梶田隆章教授,也于2015年荣获诺贝尔物理奖,梶田教授也正是小柴教授的门生。至此与神冈探测器及探测微中子有关的日籍学者,计有5人荣获诺贝尔物理奖的桂冠。而由日本人所提出的理论,最后也由日本人及在日本国内所证实,在科学史上传为一段佳话。无独有偶,另一个更早提出的不对称定律,华裔杨振宁与李政道教授于五十年代提出的宇称不守恒,后来是由吴健雄教授的实验所证实,但很可惜吴教授并没有因此而同时获诺贝尔奖。

神冈探测器经历了两代,1983年所建造的第一代,让小柴教授发现了超新星爆炸所产生的微中子。而第二代建造于1996年,证实了微中子的振荡,以及具有少许的质量。 日本正在筹建第三代,预计2026年完成,其规模是第二代的20倍,探测器的核心将注入百万吨的水,以及10万只光电倍增器。除了微中子的侦测外,更重要的还是回归于初衷的质子的衰变,若能在实验中证实质子是会衰变的,这会是继欧洲原子能委员会大强子加速器所发现,俗称「上帝的粒子」,以及美国LIGO所侦测到重力波,下一个物理界的圣杯,我们且拭目以待。

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司CEO。