紀念小柴昌俊 | 中微子天體物理學的誕生

日本物理學家小柴昌俊於11月12日逝世，享年94歲。他於2002年因其在“中微子天文學”領域做出的先驅性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。他在著作《幽靈粒子》中講述了自己從“差生”到諾貝爾物理學獎得主的成長曆程，以及從零開始構思、進行神岡實驗的經驗心得。

整理此文，既是為了紀念逝者，也是為了銘記人類在探索未知中的精神與勇氣。

1. 與物理學的相遇

在讀小學的時候，我是一個極其普通的孩子，而且當時特別貪玩。因為父親是一名軍人，我從初一開始就確立了投身軍旅的人生目標。然而，天有不測風雲，我患上了小兒麻痺症，無法正常行走，雙手也不聽使喚，只好放棄了陸軍幼年學校的求學之路。

我上中學時的班主任是數學老師金子英夫，我特別喜歡他，正是他為我開啟了物理學習的大門。在我住院近半年後，金子老師送給我一套當時剛剛出版的《物理學的進化》。雖然我當時還無法完全理解書中的內容，但這套書卻給我留下了非常深刻的印象。

後來我考上了心儀的舊制第一高等學校（日本東京大學教養學部、千葉大學醫學部、千葉大學藥學部的前身）。恰逢戰後饑荒，為了母親和弟弟們，我和姐姐不得不去打工掙取生活費。

當時我的班主任是研究理論物理的金澤秀夫老師，他對我備加照顧。金澤老師教授一門物理課程，還有一位老師教授另一門物理課程，這位老師同時也負責組織力學的專題研討會等。每當研討會輪到我站在黑板前發言的時候，我總會以“我得了小兒麻痺，胳膊抬不起來”為藉口逃課，所以這位老師給了我一個不及格的分數。幸虧金澤老師給我的分數很高，這樣兩門課平均下來我才終於及格。

在臨近高考的某一天，我到宿舍的浴室洗澡。由於天氣寒冷，澡堂內熱氣騰騰，根本看不清身邊的人。我剛走進去就聽到水汽對面的人在說：“對了，小柴到底打算報考哪個專業啊？”那位給我不及格分數的物理教授這樣回答道：“嗯……小柴是學不了物理的。雖然我不清楚他是否會選擇印度哲學、德國文學還是其他專業，但他肯定不會選擇物理。”

聽到他們的對話，我頓時心生不甘，於是在此後的一個月內開始加倍努力學習。當時要想報考東京大學的物理專業，成績必須保持在年級前10%。經過一番刻苦努力，我終於考上了。

進入大學後，家庭負擔過重導致我的大學生活幾乎全被打工賺錢佔據了，每週我只去上一天半左右的課，在物理研究方面卻沒打下什麼基礎。即使到了臨近畢業的時候，我依然沒有明確的人生規劃，不知道自己以後要從事哪方面的工作。

雖然自認為數學是中學時期比較擅長的科目，但我深知從事數學研究需要特殊的天賦和才能，所以姑且選擇了物理理論的研究之路。我稀裡糊塗地上完了大學，總算進入了研究生院，但在物理研究領域卻幾乎是一個零基礎的小學生。

當時，南部陽一郎（芝加哥大學名譽教授，日本著名物理學家，2008年獲諾貝爾物理學獎）老師剛剛在大阪市立大學設立了新的理論物理研究室，於是我慕名前往南部老師門下“修煉武藝”，在那裡參加了長達3個月的研討會。

在那裡我拼命學習，一直住在研究室裡，鋪著被褥的長桌便是我的床。在1997年我被授予文化勳章的時候，南部老師不知怎麼想起了我當年執著的樣子，於是贈予我一幅畫。畫裡一隻黑猩猩說道：“我也曾夢想成為一名物理學家。”

（圖1）南部老師送給我的我畫 上面寫著：我也曾經夢想成為一名物理學家

為了完成利用核乳膠研究宇宙線的實驗，我決定去美國羅切斯特大學留學。那裡的物理系主任馬爾沙克是一名非常有作為的理論物理學家。此前，在我的高中校長哲學家天野貞祐老師的推薦下，我認識了朝永振一郎先生。當我決定赴美留學時，幸運地拿到了他的推薦信。

揹負要在美國取得學位的雄心壯志，我背井離鄉來到了羅切斯特大學。在當時，我每個月只有120美元的補助，僅夠我勉強維持生活。我聽說獲得博士學位後，月收入最少可以達到400美元，頓時意識到自己必須儘快獲得學位。於是我開始奮發圖強，廢寢忘食地學習。

一年零八個月之後，我憑藉《宇宙線中的超高能現象》這篇論文獲得了博士學位。1954年1月我參加了在羅切斯特大學召開的基本粒子國際會議。之後，我與費曼、南部老師等人在我當時的出租屋內舉行了一場小型的壽喜燒派對，那個位於照片中後排左端，只露出三分之二張臉的人就是我。

（圖2）我與費曼（後排左二）、南部老師（前排右一）

2. 神岡實驗 —— 異想天開中的前瞻與孵化

開展神岡實驗的想法形成於1979 年年底，在此就讓我為大家稍微介紹一下提出該實驗構想的背景吧。

標準模型理論完美地統一了電磁力和能引起原子核發生β衰變的弱力，因此研究者希望能把維持原子核穩定狀態的強力也納入同一個理論中。

為此，當時的研究者提出了若干具有一定可能性的理論，其中影響最大的是格拉肖的理論。該理論認為質子的衰變壽命似乎可以通過實驗來測定，格拉肖本人也因為在標準模型研究領域做出的卓越貢獻而獲得了諾貝爾物理學獎。

在此背景下，時任筑波高能研究所理論主任的菅原寬孝教授提出了成立質子衰變壽命研究會的建議。然而，菅原教授似乎意識到，光靠理論物理學家的“紙上談兵”是行不通的。他曾在1979年12月初打來了電話，與我討論開展質子衰變實驗的可能性，我們兩人也對一些具體的實驗方案進行了探討。

我當時立刻想到了以前我在芝加哥工作時，經常來我家做客的奧恰里尼教授說過的話。

奧恰里尼教授曾提到，肖恩教授曾經留下過一大塊未曝光的核乳膠。在從政府獲得修改後的預算之前，如何儲存這塊核乳膠成為當時研究者面臨的一個難題。核乳膠一旦接觸宇宙射線就會變黑，所以必須將其置於幾乎不存在宇宙射線的地方。

據說在克利夫蘭的郊外有一個挖掘礦鹽的洞穴，於是研究者們最終決定將核乳膠放在這個洞穴裡。為慎重起見，他們還提前攜帶蓋革計數器進行了實地勘查，發現洞穴裡的放射能和宇宙射線都很微弱，就連小型的蓋革計數器也幾乎無法將其檢測出來。

當時我曾與奧恰里尼教授探討過，既然這個礦鹽坑裡漆黑一片，那麼如果向其中注水就可以將其變為注滿飽和食鹽水的水池。在飽和食鹽水中不會產生藻類和菌類，這樣一來就可以維持水池內的清潔。如果我們讓光電倍增管朝向下方並將其置於水池之中，使其持續觀測來自水池下方的光，那麼究竟能觀測到什麼現象呢？

我非常喜歡嘗試這種異想天開的冒險，也很喜歡與不同的人討論奇思妙想。只是在當時的條件下，一個光電倍增管只有很小的光電面，而且價格很高，所以探討歸探討，這種同時使用幾萬個光電倍增管開展實驗的計劃簡直就是天方夜譚。當時我把該計劃列入了我經常說的研究主題的“卵”中，想等到時機合適時再“孵化”它。

這項實驗需要準備極其大量的質子，使用成本最低的物質——水的話，大概需要淨重1000 噸的水。而要想精準鎖定1000噸的物質發生質子衰變的位置，就最好選用高純度的水。

那麼，應該如何檢測和確認水中發生的反應呢？在此就必須利用一種名為切倫科夫輻射的東西，它具有方向性。如果我們能觀測到水中某一點向相反的方向各釋放出1個粒子，並且這2個粒子都發出了切倫科夫輻射，那麼就可以肯定這是質子衰變的跡象。當然，如果還能精準測定此時的能量就更好了。

在日本成立該研究會的同時，美國也建立了致力於研究同一課題的研究組織。1980年1月，有相關新聞傳入日本，美國也提出了通過捕捉水中的切倫科夫輻射以進行實驗的方案。

我們只能在日本建造同等效能的實驗裝置。有了美國這個強有力的競爭對手，如果我們得到的實驗資料不能遠遠優於美國，那麼這項工作就失去了意義。該怎麼做才好呢？

我們的研究經費無論如何也應該不會比美國多。在這樣不利的條件下，我們該如何超越美國這個競爭對手呢？

我想到的對策是研製大型的光電倍增管，在降低生產成本的同時提升其測量精度。

也就是說，如果只考慮質子衰變成正電子和中性π介子的衰變模式，由於美國的實驗規模是我們的數倍，被其超越也無可奈何。但是，假如我們能觀測到其他種類的衰變模式，甚至測定出衰變分支比A，就能明確應該向何種大統一理論推進的研究方向了。

甄別衰變成正電子和中性π介子以外的衰變模式非常困難，這要求我們不僅要提升檢測器的靈敏度，還必須做到精確區分宇宙中微子事例。

為此，我們研發出了一種直徑為50釐米的新型光電倍增管。通過這種光電倍增管以及稍後即將為大家介紹的淨水技術，我們實現了對太陽中微子的觀測，同時也使對超新星中微子進行的檢測變為了可能。

（圖3）小柴昌俊成功研發出直徑為50釐米的光電倍增管，當時的喜悅之情溢於言表

（圖4）神岡探測器的截面圖

（圖5）日本濱鬆光子學株式會社開發的當時全世界最大的光電倍增管

要想把這些大“玻璃球”安裝到約16米高的垂直筒壁上，並在其中架設高壓電纜和訊號，即便是專業的高空作業者也會束手無策。

我們經過一番深思熟慮後最終決定，逐漸從下方增加水量，安裝人員乘坐橡皮艇自下而上依次進行安裝作業（方法同圖5-3 的維護作業）。通過這種方法我們順利地安裝了所有的光電倍增管。

（圖6）超級神岡探測器的光電倍增管維護作業（神岡探測器配備了1000個光電倍增管，而超級神岡探測器則安裝了11200個光電倍增管）

在開始利用該裝置採集資料大約3個月後，我們逐漸發現似乎可以利用這個裝置觀測太陽中微子，這對於我而言真是一個偉大的救贖。正如我在前文中提到的那樣，為了追求自己的夢想而把國民的稅金用在如同購買彩票般的、探索質子衰變的實驗上，我的內心始終對此感到惴惴不安。如果該裝置真能觀測太陽中微子，那麼這筆錢就總算是花在正道上了。

3. 透視宇宙的“第三隻眼”

在成功研製出當時全世界最大的、直徑為50釐米的光電倍增管之後，我們就能觀測到μ子衰變後產生的所有能量低於12 兆電子伏的電子了。如果可以把掩蓋能量低於12 兆電子伏的事例的背景干擾控制在千分之一左右，那麼由於我們預期存在一部分來自太陽的中微子具有最大值為15 兆電子伏的能譜，所以通過觀測這些中微子與水中的電子發生碰撞時產生的反衝電子，就可以測定出中微子到達地球的時刻、來時的方向及其能譜。這無疑就是中微子天體物理學的開端。

然而，中微子與電子的碰撞現象極不容易發生，即便準備1000 噸水，發生該現象的頻率大概也只有1周發生1-2次的程度。為了準確無誤地捕捉到這種罕見的現象，我們必須把背景干擾控制到極低的限度，同時還要對檢測器進行大改造。

不過，關於日本的研究經費（其他國家也是如此）有一種規定，即一旦實驗團隊確定了實驗專案並獲得了裝置和研究經費，那麼即使後來有了新的實驗需求而不得不提出追加預算的申請，這樣的申請也很難獲得批准。

無奈之下，我在1984年1月前往美國出席國際學術會議時向參會的學者發出了邀請，希望能在美國找到可以一起完成這項具有無限魅力的實驗課題的合作者。最終，賓夕法尼亞大學的同仁參與了進來，並表示願意提供必要的實驗裝置和研究經費。

當時，即使進一步改造現有的裝置也只能對太陽中微子進行天體物理學領域的觀測，所以我提出倡議，為了建造能真正觀測太陽中微子的實驗裝置，希望通過國際合作的方式共同建造使用5萬噸（有效質量為35000噸）水的超級神岡探測器。不過，這項提議在當時卻沒有得到任何人的認同。

幸好在我退休後，研究團隊的後繼者沒有放棄這一實驗構想。他們通過10年的不懈努力，終於實現了日本獨自建設超級神岡探測器的壯舉，該裝置至今仍然活躍在科研前線。

通過對太陽中微子進行觀測，我們除了想要確認中微子的確來自太陽的方向，其實最希望瞭解的是太陽中微子到達地球的時間。當然，如果條件允許，我們還想掌握其能量分佈的狀況。

為了減少來自周圍射線的干擾，我們首先在裝置四周改造出了約2米厚的注水隔離層。初建該裝置時由於預算比較緊張，我們只在每個光電倍增管上安裝了能測定接收訊號的光子數量的電路。為了精確觀測太陽中微子轟擊產生的低能電子，由賓夕法尼亞大學出資贊助，我們又在每個光電倍增管上新增了能測定時間的電路。

最艱難的改造工作當屬對水質的淨化。神岡礦山以前出產鉛，礦山內部空氣中氡的含量要比一般的地方高10 倍以上。氡會在衰變過程中釋放電子，這就是造成能量低於12 兆電子伏的背景干擾的主要原因。

棘手的問題在於，氡已經充分溶入水中，此外水中還包含鈾、釷等放射性元素。淨化溶解了這些元素的水是極其困難的，不過在已謝世的須田英博先生（原神戶大學教授）和鈴木厚人先生（現任東北大學名譽教授）的領導下，他們的團隊最終完成了這項艱鉅的任務。

總之，我們想盡各種辦法以減少背景干擾，最終在1987 年1月成功地完成了對相關實驗裝置的改造，使其具有了能捕捉到相當清晰的太陽中微子訊號的能力。完成改造工作的1個多月後，在大麥哲倫雲內發生了一場超新星爆發。

（圖7）發生在大麥哲倫雲內的超新星爆發

1987 年2 月24 日清晨，多倫多大學的天文學家伊思·謝爾頓在位於智利的多倫多大學天文臺發現了大麥哲倫雲內的超新星爆發。上圖為爆發前的藍色巨星（箭頭所指位置），下圖則顯示了其爆發後的狀態。通過形狀可以看出，位於圖中右下角的是蜘蛛星雲。

（圖8）神岡探測器的執行狀況

我們發現，每當緩衝水罐為實驗裝置補充被其蒸發掉的水時，具有3天半衰期的氡還是會導致背景干擾的急劇增加。這種情況一直持續到1986 年，而只要控制住這種現象的發生就能使檢測器安靜下來，所以我們對太陽中微子的正式觀測是從1987年1月開始的，超新星爆發正好發生在1個多月以後。

（圖9）超新星爆發的中微子訊號

4. 得到認可的“中微子天體物理學”

此後，神岡實驗並沒有停下繼續前行的腳步，而是力爭捕獲更加清晰的太陽中微子訊號，並且取得了可喜的成果。後來發表的關於太陽中微子觀測結果的論文，明確了中微子確實來自太陽方向的事實，並且確定了中微子的能量分佈情況。

通過這一觀測結果我們可以看出，來自太陽的硼8 型中微子果然比標準模型預測的數量少很多，但二者的差距並不像戴維斯之前說的那麼大，實驗檢測出的中微子數量只是略少於理論預期值的一半。

從能量的分佈情況來看，由於資料的數量有限，因此我們還不能說數值的精確度非常高，但大體上與預期的硼8 型中微子的能量分佈相似，只是總量略低於預期值的一半。

那麼，戴維斯之前得出的“觀測值不到預期值的三分之一”的結論與這個結果是否矛盾呢？由於他的實驗還捕捉到了能量更小的中微子，所以與基本在同一時期得到的戴維斯的資料相比，二者在統計學的精度層面並不矛盾。

之後，超級神岡探測器也開始投入執行，它通過進行更高水平的測定，明確了太陽中微子失蹤之謎依然存在的事實。已經進入探究這一謎題的產生原因的新階段。

我們在觀測由超新星爆發產生的中微子時只能準確測定出它們到達地球的時刻及其能量分佈，而並不知道這些中微子具體來自於哪個方向。現在，我們對太陽中微子進行的觀測已經能同時準確地得到以上三個資訊了。

那麼，滿足哪些條件才能確立所謂的“天文學”呢？天文學的創立歸根結底始於對天體發射的某種訊號來自何方、在何時抵達地球等資訊的掌握。如果能進一步精確測定中微子的能量分佈情況，就能像通過稜鏡研究來自太陽表面的光的光譜分佈以獲知太陽的元素構成一樣，此訊號也可能會催生新的天體物理學。

從這層意義上講，基於日本在觀測超新星中微子和太陽中微子的研究領域獲得的各項成果，即使宣稱中微子天體物理學誕生於日本也不為過，而且目前國際上有很多人都認可這一點。

在我退休（1987年3月末）之後，接手神岡實驗的梶田隆章（2015年諾貝爾物理學獎得主）、戶冢洋二等年輕人通過不懈努力，終於測定出太陽中微子到達地球的時間、來時的方向和能量分佈，並陸續發表了觀測結果。對此我感到非常欣慰。

本文節選自《幽靈粒子：透視未知的宇宙》，較原文有刪節修改，小標題為編者所加，非原文所有。

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