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神岡探測器─日本諾貝爾獎的製造機

  • 詹益仁

圖為超級神岡探測器。The University of Tokyo

一個位於日本岐阜縣溫泉故鄉飛驒市的神岡町,在地表1,000公尺以下的廢棄礦坑中的大型微中子探測器「神岡探測器」,造就了近40年來,日本共3屆5位的諾貝爾物理獎的得主。

1987年2月24日下午4點35分,在13秒的過程中,神岡探測器發現了11個微中子訊號。而遠在地球另一邊南美洲智利高山上的天文望遠鏡,也幾乎同時觀測到在大麥哲倫星雲內超新星的爆炸。兩相比對,證實了這些微中子的訊號是由此超新星爆炸所產生。在人類漫長的天文觀測歷史中,總共也發現不到10次的超新星爆炸,最早的一次是記載於東漢時期,西元185年。而偵測到超新星爆炸所產生的微中子,卻是人類的第一次。

超新星的爆炸,只有在最初始很短的時間,會產生大量的微中子,這些微中子經歷了漫長十六萬年的旅程,在短短經過地球的13秒中,被神岡探測器給捕捉到了。微中子是出了名的頑固份子,因為幾乎不跟任何的物質起反應,所以要捕捉到的機率非常低。太陽內部的核融合反應所產生的微中子,每天都有無數多個穿過我們的身體,我們卻沒有任何的感覺。另外若不是智利的天文台,同時觀測到超新星的爆炸,否則也無從判斷這些探測到的微中子從何而來。

人類歷史上很多重大的發現都是在偶然中所產生的,此次的發現在日本被稱之為「開口飛來的牡丹餅」。主持神岡探測器計畫的東京大學小柴昌俊教授,當初建立的目的並不是要觀測宇宙間的微中子,其真正目的是要證實質子是會衰變的。因為在大一統理論中(Grand Unified Theory),預測質子是會衰變的。因此小柴教授在球型探測器的核心放置了三千噸的純水(質子),以及在球的週邊裝上1,000隻光電倍增器,而在地下深處可避免宇宙射線的干擾,從事質子衰變的實驗。但是經過幾年的努力,卻毫無任何的結果,證實質子衰變的半衰期是超過理論所預測的。因此小柴教授的團隊轉而將神岡探測器,做宇宙微中子探測的實驗。幸運之神終於降臨給準備好的神岡探測器,在關鍵的13秒鐘,記錄了微中子的訊號。小柴教授也因為此一發現,於2002年榮獲諾貝爾物理獎。

日本在粒子物理理論的發展一直扮演重要的角色,並且一脈相傳。由三十年代湯川秀樹的介子理論,到四十年代朝永振一郎的量子電動力學。小柴教授是師承朝永振一郎,接下來登場的小林及益川等2位教授在粒子物理理論上的貢獻,也算是承襲了湯川秀樹。湯川秀樹於1949年榮獲諾貝爾物理獎,對於二戰後的日本,起了很大的鼓舞作用。朝永振一郎也於1965年榮獲諾貝爾物理獎。

在基本粒子標準模型中,夸克、輕子與微中子各有3個世代,其族群中計有6種夸克、3種輕子、3種微中子,以及它們的反粒子。在絕大多數的作用力,如強作用力、弱作用力及電磁作用力,都發生在同一個世代內。然而在七十年代京都大學的小林誠及益川敏英等2位教授所提出的理論中,預測若有作用力是發生在不同世代之間的,會導致了電荷與宇稱(CP)不對稱,也就是守恆律的破壞,簡言之就是粒子與反粒子的壽命會不一樣。而由日本筑波市高能加速器研究所所產生的微中子,在射向250公里外的神岡感測器的過程中,證實了微中子在世代間是會發生轉換,也就是所謂的微中子振盪。此時的神岡探測器已經進入了第二代,核心儲存了5萬噸的水及放置1萬隻光電倍增器。

微中子的震盪不僅證實了小林與益川的理論,同時也間接地說明了,目前所存在的宇宙都是由正物質所組成。在混沌之初,宇宙瞬間的爆炸,當時的世界是正反物質同時皆存在,但在逐漸冷卻的過程中,由於CP守恆律的破壞,只要正物質與反物質的壽命有百萬分之一的差異,在宇宙138億年的悠悠歲月中,最後所淬練下來就只剩正物質的世界。這實驗上的證實,2008年諾貝爾獎委員會頒給了小林及益川等2位教授物理獎,同時也頒給了在六十年代提出對稱破壞理論的南部陽一郎教授。

微中子的振盪同時也間接證明了微中子是具有少許的質量,推翻了基本粒子標準模型中,所預測微中子是不具有質量的假說。而負責此實驗的梶田隆章教授,也於2015年榮獲諾貝爾物理獎,梶田教授也正是小柴教授的門生。至此與神岡探測器及探測微中子有關的日籍學者,計有5人榮獲諾貝爾物理獎的桂冠。而由日本人所提出的理論,最後也由日本人及在日本國內所證實,在科學史上傳為一段佳話。無獨有偶,另一個更早提出的不對稱定律,華裔楊振寧與李政道教授於五十年代提出的宇稱不守恆,後來是由吳健雄教授的實驗所證實,但很可惜吳教授並沒有因此而同時獲諾貝爾獎。

神岡探測器經歷了兩代,1983年所建造的第一代,讓小柴教授發現了超新星爆炸所產生的微中子。而第二代建造於1996年,證實了微中子的振盪,以及具有少許的質量。 日本正在籌建第三代,預計2026年完成,其規模是第二代的20倍,探測器的核心將注入百萬噸的水,以及10萬隻光電倍增器。除了微中子的偵測外,更重要的還是回歸於初衷的質子的衰變,若能在實驗中證實質子是會衰變的,這會是繼歐洲原子能委員會大強子加速器所發現,俗稱「上帝的粒子」,以及美國LIGO所偵測到重力波,下一個物理界的聖杯,我們且拭目以待。

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。