神冈探测器─日本诺贝尔奖的制造机

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，西元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)，以及在球的周边装上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。