諾獎得主小柴昌俊如何成功探測到中微子

日本神岡中微子探測實驗中的光電倍增管陣列。光電倍增管（Photo Multiplier Tube，簡稱PMT）可以將極微弱的光信號轉換成電信號輸出，並獲得驚人的電子倍增能力。圖源：http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/library/image-e.html

前面的話

諾獎得主小柴昌俊去世後，出現了一些文章，多是源於他自傳的故事，少有對他科學貢獻的介紹。本文研究了小柴昌俊的科學貢獻，並從中總結了若干成功經驗。最近，中國大亞灣核電站的中微子實驗裝置在實現原定科學目標後退役，本文也有助於理解相關的科學問題。

撰文 | 施 鬱（復旦大學物理學系教授）

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11月12日，日本實驗高能物理學家小柴昌俊去世。

小柴昌俊生於1926年，因為對「宇宙中微子探測」的貢獻，與戴維斯（Ray Davis Jr.）分享了2002年諾貝爾物理學獎的一半，另一半授予了對宇宙X射線探測做出重要貢獻的賈科尼（R. Giacconi）[1]。

小柴昌俊是一位傑出的科學家，對中微子實驗物理做出了重大貢獻，神岡和超級神岡中微子探測實驗都源自他的想法和努力。他也培養了一批優秀的學生，其中梶田隆章因超級神岡實驗發現的中微子振蕩而分享2015年物理諾獎。

01 神岡和超級神岡中微子探測實驗

中微子是很重要的基本粒子，1930年首先由泡利（W. Pauli）預言 [2]，1956年萊因斯（F. Reines）和科萬（C. Cowan）最早在實驗上發現 [3]。1967年，在美國南達科他州（South Dakota）的霍姆斯特克（Homestake）金礦，戴維斯探測到來自太陽的中微子，但是發現，中微子數量只是理論預期的大約三分之一 [3,4]。

小柴昌俊認為，戴維斯的工作代表中微子天體物理的概念形成，而他本人領導的兩個實驗代表了中微子天體物理的開始 [4]，因為戴維斯只是探測到中微子，而小柴得到更具體的信息，比如方向、時間等等。這強調了小柴昌俊工作的創新意義。也要看到，畢竟是戴維斯首次探測到來自宇宙的中微子。

小柴昌俊領導的這兩個中微子實驗，都在神岡礦（Kamioka Mine）的地下1千米進行，位於不同的礦井裡，分別叫做神岡中微子探測實驗（Kamioka NDE）和超級神岡中微子探測實驗（Super-Kamioka NDE），其中NDE現在理解為Neutrino Detection Experiment的縮寫，意為中微子探測實驗。但是NDE原本代表Nucleon Decay Experiment，意為核子衰變實驗。質子和中子統稱為核子。

神岡礦為三井公司經營，20世紀上半葉採礦活動大量排放鎘，造成附近水流汙染，引起周圍很多居民患上痛痛病。後來停止採礦，但是冶煉廠還生產鋅、鉛和銀。1982年，小柴昌俊在此領導建造神岡探測器。

建好的神岡NDE探測器，表面有1/5覆蓋了光電倍增管（將光信號轉化為電信號），裡面有3千噸水，造價3.5億日元；超級神岡NDE探測器的表面有2/5覆蓋了光電倍增管，裡面有5萬噸水，造價100億日元。

02 始於尋找質子衰變

最近，在我組織的一個演講和對話中，諾獎得主溫伯格說：「繼續安靜模式的實驗物理也是很重要的，我們可以尋找質子衰變那樣的稀有事例，因為我認為質子衰變甚至有可能在我的有生之年發現，我希望，人們在深層地下耐心等待一大箱液體中發現稀有事例的實驗能夠繼續。[5]

質子衰變超越了粒子物理標準模型，是大統一理論的預言，但是沒有驗證。如果質子真的衰變，那麼普通物質，包括我們在內，或者說構成我們這些普通物質的質子，終將在宇宙中消失。

神岡NDE原本就是這樣一個尋找質子衰變的「安靜實驗」。神岡NDE使用了大量的純水。每個水分子中有兩個質子，如果質子衰變，會產生高速運動的帶電粒子，速度甚至超過水中的光速。這就會產生光的衝擊波，叫做切倫科夫輻射，類似超音速飛機產生的聲爆。在這種情況下，切倫科夫輻射被認為是質子衰變導致的信號。因此神岡NDE用到大量的光電倍增管，來探測切倫科夫輻射。

神岡NDE籌建之時，美國在建 Irving-Michigan-Brookhaven（IMB）探測器，目的和方法都與神岡NDE一樣，但是用7倍的水和10倍的資金，由最早探測到中微子的萊因斯領導。

小柴昌俊想出一個可以與IMB競爭的方法，就是讓每個光電倍增管對光信號特別敏感，從而可以探測到更多的質子衰變模式。為此，濱松光學公司不惜虧損3億日元，將每個光電倍增管的直徑從通常的12.5釐米擴大到50釐米，也就是擴大到4倍。4的平方是16，因此敏感度是IMB每個光電倍增管的16倍，結果神岡NDE探測電子的能力比原計劃提高了千倍 [6]。

為了將光電倍增管安裝到垂直的壁上，小柴昌俊等人也想出一個妙法，逐漸放水，安裝人員乘坐橡皮艇，從下向上依次安裝 [7]。

03 改造成中微子探測器

1983年8月，神岡NDE完工後進行校驗，也就是將光子數與能量對應起來。這是基於一種常見的宇宙線，叫繆子，它進入探測器後，衰變成電子，如果電子速度超過水中光速，就導致切倫科夫輻射。三個月後，神岡NDE探測到很多這樣的電子，最低能量只有12兆電子伏特。

於是小柴昌俊想到，這個探測器既然能夠探測這麼低的能量，就應該可以用來探測太陽發出的中微子，因為其能量有14兆電子伏特，高於12兆電子伏特。他說，這樣擴大實驗可能性，緩解了花費納稅人的錢的沉重 [6]。

高速運動的中微子進入探測器的水中，碰撞水中的電子，電子在水裡會高速運動，產生切倫科夫輻射，這樣就可以探測中微子。與未知的質子衰變相比，太陽中微子總是有的，因此只要適當改造探測器，測出中微子到來時的時間、方向和能量，就能建立起中微子天體物理。

這需要安裝額外的裝置，特別是給每個光電倍增管加一個計時裝置TDC（time digitizing converter）。因此要追加1億日元。

1984年1月，在美國猶他的帕克城，「重粒子不守恆國際會議」上，小柴介紹了神岡NDE的運行情況，以及觀測太陽中微子的計劃，爭取到美國賓夕法尼亞大學Alfred Mann教授的合作，負責TDC。小柴還首次提出超級神岡NDE的可能性。

1986年底，升級改造後的神岡NDE開始工作，英文簡稱NDE保持不變，但是更多地理解為「中微子探測實驗」。改造前後的階段分別叫做神岡I和II。1990後，再次升級後叫做神岡III，1993年停止運行。

1996年，在距離神岡NDE所在地150米處，超級神岡NDE建成並開始工作。1991年，IMB停止工作，光電倍增管轉移到超級神岡NDE，包括萊因斯在內的不少研究人員加入超級神岡NDE。

圖為2006年6月26日的超級神剛中微子探測實驗裝置，水池幾乎滿水。圖源：

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/gallery/wmj/PH21-water-near-full-wmj.JPG

2002年4月，在原來神岡NDE所在的井裡，建了第三代探測器KamLAND（Kamioka Liquid Scintillator AntiNeutrino Detector，神岡液體閃爍反中微子探測器），探測來自200公裡外的核反應堆產生的反中微子。2002年初開始採集數據。他們還探測從筑波（Tsukuba）的質子加速器射來的中微子，叫做K2K，運行到2004年。後來又做T2K實驗，探測從東海（Tokai）的質子加速器射來的中微子，據稱運行到今年底。

神岡NDE、IMB以及超級神岡NDE在主要探測中微子的同時，也繼續尋找質子衰變，但是一直沒有探測到。這個負結果表明，質子衰變的可能性比原來所知的還要小，因此，對質子壽命的估計從至少1029年提高到至少1034年。

04 神岡NDE的實驗結果

4.1 超新星中微子

1987年2月23日，天文望遠鏡觀測到一個超新星爆發，代號1987A，位於17萬光年外的大麥哲倫星雲。25日，小柴團隊得到消息。他們在觀測數據中找到了集中在13秒內的12個中微子信號 [1,8] （原始論文[8]和諾獎資料[1]說是12個，但是小柴的自傳和科普書說是11個[6,7]）。這證明了這個超新星是II型，因為I型不發出中微子。

「中微子」一詞是統稱，其實包括「正」中微子和反中微子。太陽中微子是「正」中微子。超新星發出的中微子是反中微子。反中微子與水中的質子碰撞，產生高速運動的正電子，也發出切倫科夫輻射。

超新星爆發中，有巨量的反中微子產生，其中1億億個穿過了神岡探測器。短時間內，這麼多反中微子集中通過，能量又比日常的太陽中微子大得多，所以神岡NDE會意外探測到12個超新星中微子 [1,7]。

這時神岡II剛開始運行兩個月，距小柴退休還有1個月 [5]。最初，申請建神岡NDE來探測質子衰變時，為了獲得儘量多的成果，申請書上用幾句話提到過探測銀河系內超新星中微子的可能性。但是，銀河系內，上一次超新星爆發還是1604年，是克卜勒記載的。1987A位於銀河系外，因此探測到它發出的反中微子純屬意外。

得悉神岡NDE的結果後，IMB也在數據中找到8個超新星中微子的信號。在神岡之前，義大利的勃朗峰中微子觀測臺曾錯誤聲稱，發現了超新星中微子，但是信號的時間早了幾個小時，後來又重新聲明，在神岡公布的信號時間，發現了5個中微子。

因此神岡第一個發現了超新星中微子。因為神岡實驗俘獲到了超新星中微子，又得到中微子振蕩的初步結果，日本教育部愉快地支持了超級神岡實驗的上馬。

4.2 四個結果

根據小柴昌俊2002年的諾貝爾演講（即獲獎演講）[3]，神岡NDE取得四個重要結果。

第一個結果是探測到太陽發出的中微子，驗證了戴維斯的結果，而且更精確，特別是給出中微子的信息，包括到達時間、方向、能量分布。時間精度達到10納秒[9]。這準確表明，這些中微子確實來自太陽。

第二個結果就是超新星中微子[8]。

第三個結果是大氣中微子反常[9]。來自太空的宇宙線粒子進入地球大氣後，與大氣中的氮原子核和氧原子核碰撞，產生介子，介子衰變，產生繆子和繆子型中微子。然後繆子又繼續衰變，產生電子、電子型中微子以及繆子型中微子。在這兩個相繼的過程中，都有繆子型中微子產生，而電子型中微子只在第二個過程中產生。所以繆子型中微子數量應該是電子型中微子數量的兩倍。

在探測器中，繆子型中微子和電子型中微子是可以區分的，兩種中微子的數量可以分別測量出。原因是，它們的產生過程伴隨著電子和繆子產生，而繆子比電子重兩百多倍，所以二者導致的切倫科夫輻射情況很不一樣。

但實驗發現，兩者並不是兩倍關係，這叫做「大氣中微子反常」 [11]。在神岡實驗中，這個結果只有4個統計置信度，但是後來超級神岡將置信度增加到9個以上。在高能物理實驗中，一個「發現」通常需要5個以上置信度。

第四個結果是大氣中微子振蕩 [12]。大氣中微子反常的原因是中微子振蕩，即不同種中微子之間的轉化。在此理論解釋下，小柴團隊從繆子型與電子型中微子的數目之比，反推出大氣中微子振蕩的參數的取值範圍。這裡的主要因素是繆子型中微子轉化成了第三種中微子，叫做陶子型中微子。

05 超級神岡實驗的結果

小柴昌俊在諾貝爾演講中也介紹，超級神岡NDE改進了神岡NDE的結果 [4]。

一方面，對於太陽中微子，更精確地知道不同能量的中微子各有多少。這叫做能譜，可以給出太陽中微子振蕩的信息。而且還可以通過中微子的飛行方向，得到太陽的中微子「透視」圖，就好比醫院裡的X光機給出人體的X射線透視圖。

另一方面，關於大氣中微子，得到兩種中微子數量之比與飛行方向的詳細關係。中微子振蕩的情況依賴於時間，也就是中微子飛行的距離。大氣中微子來自探測器的上下兩個方向，分別從水面和水底進入（中微子能穿透地球），所經歷的路程大不一樣，上方只是穿過大氣層，下方經過大氣層後，還要穿過地球。所以兩種中微子數量之比依賴於入射方向。由此可以推導出大氣中微子振蕩的準確信息。

就在小柴做諾貝爾演講的兩天前，KamLAND的實驗結果表明，正反中微子的振蕩參數一樣 [4]。

1988年，諾貝爾物理學獎授予了發現繆子型中微子的萊德曼（Leon M. Lederman），施瓦茲（Melvin Schwartz）和斯坦伯格（Jack Steinberger）。小柴昌俊在自傳序言中說，據說宣布之前，1973年諾獎得主江崎告訴記者，1988年諾獎可能授予中微子的研究，結果從當年開始，直到2002年，每年都有記者到小柴家蹲守[6]。

06 2015年的諾獎

2015年，因為「發現了中微子振蕩，從而說明中微子有質量」，小柴昌俊的學生、領導超級神岡實驗的梶田隆章和領導薩德伯裡中微子觀測臺（SNO）實驗的麥克唐納（Arthur B. McDonald）分享了諾貝爾物理學獎。

麥克唐納領導的SNO的探測器使用重水（普通水當中，氫原子的原子核就是質子，而重水中，重氫原子的原子核由一個質子和一個中子組成）。在這個探測器中，有的碰撞過程只能被電子型中微子引起，有的碰撞過程能被任何中微子引起。這樣就可以探測電子型中微子在太陽中微子中所佔的比例。2001年，SNO得到中微子振蕩的結果。一年後獲得KamLAND的證實。

而梶田隆章的獲獎工作是超級神岡NDE獲得的大氣中微子中，兩種中微子數目之比，以及由此推論的中微子振蕩。2015年的諾獎委員會關於獲獎工作的科學背景（scientific background）資料表明：「中微子振蕩的有力證據由超級神岡合作組的梶田隆章在中微子98國際會議上給出」 [13]，然後引用了一篇關鍵論文 [14]，最後明確將這篇論文列為梶田隆章獲獎工作的關鍵論文。

可是，2002年，小柴的諾貝爾演講也介紹了這個工作，引用了這篇關鍵論文[14]，並展示了這篇論文所有作者的名字。那為什麼梶田隆章還能以這篇論文再獲諾獎呢？

這是因為小柴本人諾獎的重點是太陽中微子和超新星中微子的探測。在2002年諾獎官方資料中，只是在最新信息（advanced information）的「展望」（outlook）部分，才提到大氣中微子振蕩。諾獎網站上的小柴簡歷裡的重要論文也只列了超新星中微子和太陽中微子各一篇。2015年的諾獎官方資料中，並沒有提小柴，除了在提到戴維斯的時候，在括號內說他與小柴及賈科尼分享2002年諾獎 [13]。

事實上，梶田隆章是超級神岡NDE發現大氣中微子振蕩的負責人。他從神岡NDE建成，就開始研究大氣中微子 [7]。在諾獎官方網站上，梶田隆章在自傳文章中寫道：「經過多年的計劃和建設，超級神岡實驗準確地按照計劃，從1996年4月1日午夜開始取數據。那時起，我是大氣中微子分析的召集人。在超級神岡數據分析的初期，有兩個組做獨立分析。在兩個組的分析結果被確認類似後，我們決定將兩個組合二為一。從那時起，我和波士頓大學的科恩斯領導大氣中微子分析。」 [13]

梶田隆章在2015年諾貝爾演講最後表示：「特別感謝在我職業生涯中，小柴昌俊和戶冢洋二（Yoji Totsuka）的持續支持和鼓勵。」 戶冢洋二也是小柴昌俊的學生，並幫助培養了梶田隆章。普遍認為，如果戶冢洋二沒有因癌症於2008年去世，肯定能獲得諾獎。

1987年，探測到超新星中微子一個月之後，小柴昌俊退休，戶冢洋二接班 [5]。神岡NDE的大氣中微子和大氣中微子論文都是在這之後發表的。後來戶冢洋二也領導了超級神岡NDE的建造和運行。2002年，美國物理學會的潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎授予小柴昌俊、戶冢洋二和梶田隆章師徒三人。

小柴昌俊培養了一大批優秀的學生，建起了一個大團隊。其中，須田英博被稱作最得力助手，幫助培養了戶冢洋二，折戶周治被稱作長子 [6]。這三人都是英年早逝。

07 小柴昌俊的科研道路

2005年，小柴昌俊接受過一個訪談 [16]。在這個訪談中，他介紹了他的經歷。

小柴昌俊從東京大學大學畢業時，還不確定是否要做物理科研。他研究生二年級時，因為認識後來獲1965年諾獎的朝永振一郎，得到他的推薦，去羅切斯特大學留學。一年零八個月後，得到了博士學位。他的博士論文是Mort Kaplon指導下的宇宙線研究，糾正了在芝加哥大學教授Marcel Schein的結論。

1955年開始，小柴昌俊在Schein實驗室做了三年博士後。之後回日本，在東京大學核物理研究所做了兩年副教授。後又應Schein之邀回芝加哥參加他的一個國際合作項目。幾個月後，Schein因心臟病去世，小柴昌俊便接任項目負責工作。三年後回日本。一年後轉到東京大學物理系，開始培養研究生。

1969年開始，部分出於對學生就業前途的考慮，小柴的實驗探測手段從核乳膠轉到電子學探測器。他在神岡做了第一個地下實驗，探測繆子，期間培養了戶冢洋二。然後小柴去參加了俄國物理學家Budker領頭的位於新西伯利亞的正負電子對撞實驗。兩年後，Budker得了心臟病。小柴昌俊便去參加德國漢堡的正負電子對撞實驗DASP和JADE。

這時理論家菅原直孝建議小柴在日本進行質子衰變的探測。小柴想起在芝加哥時，曾將未用過的核乳膠膠片藏在一個巖鹽礦山洞裡，以躲避宇宙線。當時來芝加哥指導他們工作的義大利宇宙線專家Occhialini說，如果在山洞裡充滿水，用很多光電倍增管對著下面，總能發現點東西。雖然那時不可能有上萬根光電倍增管，但這個想法在小柴腦裡停留多年，後在神岡實驗裡得以實現。小柴曾經說，研究人員要考慮兩三個目前不能做，但將來能實現的「卵」。將暫時不能實現的想法存在，條件成熟後再實現。這是科學研究中的一個方法。

於是小柴開始進行神岡NDE的建造和實驗，同時也參加歐洲核研究組織（CERN）的OPAL實驗。

小柴建造神岡NDE，在科學上的動機是尋找質子衰變，同時為了讓低年級研究生在沒有加速器的情況下，也能開展粒子物理實驗。這種兼顧科研與人才培養的策略值得借鑑。

小柴從東京大學退休時，將CERN的實驗和神岡實驗分別交給兩位學生，又在日本的私立學校東海大學工作了9年。

08 教益

從小柴昌俊的科研經歷，我們可以看到一些成功經驗。

他將質子衰變探測器升級為以探測中微子探測器，而且能獨闢蹊徑，戰勝美國競爭者。因為探測手段優於戴維斯的放射化學方法，給出了太陽中微子的更多信息。而且他一開始就開始計劃更大的超級神岡探測器。抓住機會，創造條件，及時調整方向，小柴昌俊樹立了一個很好的範例。

超新星中微子的探測有機遇和運氣的因素，因為當時探測器剛開始工作不久。但也因為探測器建造成功，有所準備，才能將機遇轉化為成功。

小柴昌俊喜歡以有限的資源獲得儘量多的研究結果。他將科學研究與人才培養有機結合，在課題選擇上也兼顧學生的訓練機會。這些也值得借鑑。

09 核電站的反中微子

前面提到，來自太陽的中微子是「正」中微子。神岡NDE也探測到了反中微子，來自超新星。核電站的核反應堆也產生反中微子。萊因斯最初發現的中微子就是來自核反應堆的反中微子，當時的探測方法基於反中微子與質子反應，產生正電子，與電子湮滅，發出光子，被光電倍增管探測 [3]。

既然神岡NDE能探測來自超新星的反中微子，核反應堆產生的反中微子也能用這種方法，基於純水和光電倍增管，通過切倫科夫輻射來探測。KamLAND探測器以及中國的大亞灣核電站中微子探測器都是這樣。

太陽中微子的振蕩發生在電子型中微子和繆子型中微子之間，大氣中微子的振蕩發生在繆子型中微子與陶子型中微子之間。中國大亞灣核電站的中微子實驗研究了第三種中微子振蕩，發生在電子型中微子和陶子型中微子之間。

在實現原定科學目標後，中國大亞灣反應堆中微子實驗裝置於2020年12月12日正式退役。圖源：上觀新聞

2012年，大亞灣中微子實驗以5.2的統計置信度確定了振蕩參數。2020年12月12日，在完成科學使命後，大亞灣中微子實驗裝置停止工作。

參考資料：

[1]2002年諾貝爾物理學獎官方資料，

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/summary/

[2]施鬱.人生危機催生中微子假說 | 紀念物理大師泡利，. 南方人物周刊，2019年第12期，：58-63。

[3]施鬱. 諾獎委員會的錯誤：幽靈粒子是如何現身的？知識分子 2019-08-04

[4]小柴昌俊. 諾貝爾演講，

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/koshiba-lecture.pdf

[5]施鬱. 物理學家溫伯格首次面向中國公眾的演講. 知識分子，2020-11-2

[6]小柴昌俊. 我不是好學生：諾貝爾獎獲得者小柴昌俊的傳奇人生. 戚戈平，李曉武譯，科學出版社，2008。

[7]小柴昌俊. 幽靈例子：透視未知的宇宙，逸寧譯，人民郵電出版社，2020.

[8]Hirata, K. et al. 1987. Phys. Rev. Lett. 58, 1490.

[9]Hirata, K. et al. 1989. Phys. Rev. Lett. 63, 16.

[10]Hirata, K. et al. 1990. Phys. Rev. Lett. 65, 1297.

[11]K. S. Hirata et al. 1988 Phys. Lett. B 205, 416.

[12]S. Hatakeyama et al. 1998 Phys. Rev. Lett. 81, 2016.

[13]2015年諾貝爾物理學獎官方資料，

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/

[14]Y. Fukuda et al (Super-Kamiokande collaboration), 「Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos」, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).

[15]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/kajita/biographical/

[16]Hargittai I, Hargittai M. Candid Science VI, World Scientific, 2006.