2019年8月21日,日本政府文部科學省決定,啟動建造新一代基本粒子觀測設施「頂級神岡探測器」(Hyper-Kamiokande)的計劃,計劃2026財政年度末完成。
世界上的物質從何而來?
我們所處的世界中充滿各種物質,但最初物質為何會在宇宙中存在呢?科學家認為,宇宙誕生後,物質及性質相反的「反物質」是等量產生的,兩者間存在很強的對稱性。當物質和反物質碰撞發生湮滅時,只能留下光子等能量形式。如此一來,宇宙中就不可能單獨留下物質或反物質,也就不可能產生星體和生物。
那麼,是什麼神秘力量打破了物質和反物質的均衡,使物質單獨留存下來呢?有科學家提出假說,認為中微子的影響是產生這種「CP對稱性破壞」效應的關鍵因素。「頂級神岡探測器」的任務正是驗證這一假說。
探索粒子世界的神器
藉助中微子探測設施「神岡探測器」和「超級神岡探測器」的觀測成果,日本曾兩次獲得諾貝爾獎,此次建造的新設施是兩者的升級版,目標是探索宇宙起源和物質誕生之謎,使現代物理學獲得新發展,並第三次衝擊諾獎。
新的「頂級神岡探測器」將由東京大學宇宙射線研究所在岐阜縣飛驒市神岡町山裡的」超級神岡探測器」附近的地下建造。新探測器高達60米、直徑74米的巨型水塔內部可容納26萬噸純水,水量約為「神岡探測器」的90倍、「超級神岡探測器」的5倍。
水塔內將安裝4萬隻超高精度光傳感器,探測精度約提高10倍。當中微子與水塔內的水碰撞時,會產生微弱的閃光,探測器通過捕捉到這些閃光研究中微子的特性,使用壽命約為20年。
研究人員將使用位於茨城縣東海村的質子加速器「J-PARC」製造物質和反物質的中微子,向295公裡外的「頂級神岡探測器」發射,並確認在中微子穿過地下的過程中,其發生變化的量是否因物質和反物質而不同,還力圖首次確認構成原子核的質子產生的「質子裂變現象」。
巨額投資靠國際合作籌措
來自美國、英國、韓國和俄羅斯等15國的研究人員將參加此項研究。日本文部科學省已在本財年預算中列入了該項目的調查費用5000萬日元,預計正式建造的經費總額將高達650億日元。為籌集巨額經費,日本文部科學省和東京大學計劃要求參加該項目的國家分擔費用。
因利用「神岡探測器」成功觀測超新星爆發產生的中微子,2002年東京大學特別榮譽教授小柴昌俊榮獲諾貝爾物理學獎;因利用「超級神岡探測器」證明中微子具有質量,2015年東京大學宇宙射線研究所所長梶田隆章再次獲獎。
下一個諾貝爾物理學獎獲得者,還會從這個研究團隊中產生嗎?我們拭目以待。