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诺奖得主小柴昌俊如何成功探测到中微子

日本神冈中微子探测实验中的光电倍增管阵列。光电倍增管(Photo Multiplier Tube,简称PMT)可以将极微弱的光信号转换成电信号输出,并获得惊人的电子倍增能力。图源:http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/library/image-e.html
 
前面的话
 
诺奖得主小柴昌俊去世后,出现了一些文章,多是源于他自传的故事,少有对他科学贡献的介绍。本文研究了小柴昌俊的科学贡献,并从中总结了若干成功经验。最近,中国大亚湾核电站的中微子实验装置在实现原定科学目标后退役,本文也有助于理解相关的科学问题。
 
撰文 | 施 郁(复旦大学物理学系教授)
 
11月12日,日本实验高能物理学家小柴昌俊去世。
 
小柴昌俊生于1926年,因为对“宇宙中微子探测”的贡献,与戴维斯(Ray Davis Jr.)分享了2002年诺贝尔物理学奖的一半,另一半授予了对宇宙X射线探测做出重要贡献的贾科尼(R. Giacconi)[1]。
小柴昌俊是一位杰出的科学家,对中微子实验物理做出了重大贡献,神冈和超级神冈中微子探测实验都源自他的想法和努力。他也培养了一批优秀的学生,其中梶田隆章因超级神冈实验发现的中微子振荡而分享2015年物理诺奖。
 
1 神冈和超级神冈中微子探测实验
 
中微子是很重要的基本粒子,1930年首先由泡利(W. Pauli)预言 [2],1956年莱因斯(F. Reines)和科万(C. Cowan)最早在实验上发现 [3]。1967年,在美国南达科他州(South Dakota)的霍姆斯特克(Homestake)金矿,戴维斯探测到来自太阳的中微子,但是发现,中微子数量只是理论预期的大约三分之一 [3,4]。
 
小柴昌俊认为,戴维斯的工作代表中微子天体物理的概念形成,而他本人领导的两个实验代表了中微子天体物理的开始 [4],因为戴维斯只是探测到中微子,而小柴得到更具体的信息,比如方向、时间等等。这强调了小柴昌俊工作的创新意义。也要看到,毕竟是戴维斯首次探测到来自宇宙的中微子。
 
小柴昌俊领导的这两个中微子实验,都在神冈矿(Kamioka Mine)的地下1千米进行,位于不同的矿井里,分别叫做神冈中微子探测实验(Kamioka NDE)和超级神冈中微子探测实验(Super-Kamioka NDE),其中NDE现在理解为Neutrino Detection Experiment的缩写,意为中微子探测实验。但是NDE原本代表Nucleon Decay Experiment,意为核子衰变实验。质子和中子统称为核子。
 
神冈矿为三井公司经营,20世纪上半叶采矿活动大量排放镉,造成附近水流污染,引起周围很多居民患上痛痛病。后来停止采矿,但是冶炼厂还生产锌、铅和银。1982年,小柴昌俊在此领导建造神冈探测器。
 
建好的神冈NDE探测器,表面有1/5覆盖了光电倍增管(将光信号转化为电信号),里面有3千吨水,造价3.5亿日元;超级神冈NDE探测器的表面有2/5覆盖了光电倍增管,里面有5万吨水,造价100亿日元。
 
2 始于寻找质子衰变
 
最近,在我组织的一个演讲和对话中,诺奖得主温伯格说:“继续安静模式的实验物理也是很重要的,我们可以寻找质子衰变那样的稀有事例,因为我认为质子衰变甚至有可能在我的有生之年发现,我希望,人们在深层地下耐心等待一大箱液体中发现稀有事例的实验能够继续。[5]
 
质子衰变超越了粒子物理标准模型,是大统一理论的预言,但是没有验证。如果质子真的衰变,那么普通物质,包括我们在内,或者说构成我们这些普通物质的质子,终将在宇宙中消失。
 
神冈NDE原本就是这样一个寻找质子衰变的“安静实验”。神冈NDE使用了大量的纯水。每个水分子中有两个质子,如果质子衰变,会产生高速运动的带电粒子,速度甚至超过水中的光速。这就会产生光的冲击波,叫做切伦科夫辐射,类似超音速飞机产生的声爆。在这种情况下,切伦科夫辐射被认为是质子衰变导致的信号。因此神冈NDE用到大量的光电倍增管,来探测切伦科夫辐射。
 
神冈NDE筹建之时,美国在建 Irving-Michigan-Brookhaven(IMB)探测器,目的和方法都与神冈NDE一样,但是用7倍的水和10倍的资金,由最早探测到中微子的莱因斯领导。
 
小柴昌俊想出一个可以与IMB竞争的方法,就是让每个光电倍增管对光信号特别敏感,从而可以探测到更多的质子衰变模式。为此,滨松光学公司不惜亏损3亿日元,将每个光电倍增管的直径从通常的12.5厘米扩大到50厘米,也就是扩大到4倍。4的平方是16,因此敏感度是IMB每个光电倍增管的16倍,结果神冈NDE探测电子的能力比原计划提高了千倍 [6]。
 
为了将光电倍增管安装到垂直的壁上,小柴昌俊等人也想出一个妙法,逐渐放水,安装人员乘坐橡皮艇,从下向上依次安装 [7]。
 
3 改造成中微子探测器
 
1983年8月,神冈NDE完工后进行校验,也就是将光子数与能量对应起来。这是基于一种常见的宇宙线,叫缪子,它进入探测器后,衰变成电子,如果电子速度超过水中光速,就导致切伦科夫辐射。三个月后,神冈NDE探测到很多这样的电子,最低能量只有12兆电子伏特。
 
于是小柴昌俊想到,这个探测器既然能够探测这么低的能量,就应该可以用来探测太阳发出的中微子,因为其能量有14兆电子伏特,高于12兆电子伏特。他说,这样扩大实验可能性,缓解了花费纳税人的钱的沉重 [6]。
 
高速运动的中微子进入探测器的水中,碰撞水中的电子,电子在水里会高速运动,产生切伦科夫辐射,这样就可以探测中微子。与未知的质子衰变相比,太阳中微子总是有的,因此只要适当改造探测器,测出中微子到来时的时间、方向和能量,就能建立起中微子天体物理。
 
这需要安装额外的装置,特别是给每个光电倍增管加一个计时装置TDC(time digitizing converter)。因此要追加1亿日元。
 
1984年1月,在美国犹他的帕克城,“重粒子不守恒国际会议”上,小柴介绍了神冈NDE的运行情况,以及观测太阳中微子的计划,争取到美国宾西法尼亚大学Alfred Mann教授的合作,负责TDC。小柴还首次提出超级神冈NDE的可能性。
 
1986年底,升级改造后的神冈NDE开始工作,英文简称NDE保持不变,但是更多地理解为“中微子探测实验”。改造前后的阶段分别叫做神冈I和II。1990后,再次升级后叫做神冈III,1993年停止运行。
 
1996年,在距离神冈NDE所在地150米处,超级神冈NDE建成并开始工作。1991年,IMB停止工作,光电倍增管转移到超级神冈NDE,包括莱因斯在内的不少研究人员加入超级神冈NDE。
图为2006年6月26日的超级神刚中微子探测实验装置,水池几乎满水。图源:
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/gallery/wmj/PH21-water-near-full-wmj.JPG
 
2002年4月,在原来神冈NDE所在的井里,建了第三代探测器KamLAND(Kamioka Liquid Scintillator AntiNeutrino Detector,神冈液体闪烁反中微子探测器),探测来自200公里外的核反应堆产生的反中微子。2002年初开始采集数据。他们还探测从筑波(Tsukuba)的质子加速器射来的中微子,叫做K2K,运行到2004年。后来又做T2K实验,探测从东海(Tokai)的质子加速器射来的中微子,据称运行到今年底。
 
 
4 神冈NDE的实验结果
 
4.1 超新星中微子
 
1987年2月23日,天文望远镜观测到一个超新星爆发,代号1987A,位于17万光年外的大麦哲伦星云。25日,小柴团队得到消息。他们在观测数据中找到了集中在13秒内的12个中微子信号 [1,8] (原始论文[8]和诺奖资料[1]说是12个,但是小柴的自传和科普书说是11个[6,7])。这证明了这个超新星是II型,因为I型不发出中微子。
 
“中微子”一词是统称,其实包括“正”中微子和反中微子。太阳中微子是“正”中微子。超新星发出的中微子是反中微子。反中微子与水中的质子碰撞,产生高速运动的正电子,也发出切伦科夫辐射。
 
超新星爆发中,有巨量的反中微子产生,其中1亿亿个穿过了神冈探测器。短时间内,这么多反中微子集中通过,能量又比日常的太阳中微子大得多,所以神冈NDE会意外探测到12个超新星中微子 [1,7]。
 
这时神冈II刚开始运行两个月,距小柴退休还有1个月 [5]。最初,申请建神冈NDE来探测质子衰变时,为了获得尽量多的成果,申请书上用几句话提到过探测银河系内超新星中微子的可能性。但是,银河系内,上一次超新星爆发还是1604年,是开普勒记载的。1987A位于银河系外,因此探测到它发出的反中微子纯属意外。
 
得悉神冈NDE的结果后,IMB也在数据中找到8个超新星中微子的信号。在神冈之前,意大利的勃朗峰中微子观测台曾错误声称,发现了超新星中微子,但是信号的时间早了几个小时,后来又重新声明,在神冈公布的信号时间,发现了5个中微子。
 
因此神冈第一个发现了超新星中微子。因为神冈实验俘获到了超新星中微子,又得到中微子振荡的初步结果,日本教育部愉快地支持了超级神冈实验的上马。
 
4.2 四个结果
 
根据小柴昌俊2002年的诺贝尔演讲(即获奖演讲)[3],神冈NDE取得四个重要结果。
 
第一个结果是探测到太阳发出的中微子,验证了戴维斯的结果,而且更精确,特别是给出中微子的信息,包括到达时间、方向、能量分布。时间精度达到10纳秒[9]。这准确表明,这些中微子确实来自太阳。
 
第二个结果就是超新星中微子[8]。
 
第三个结果是大气中微子反常[9]。来自太空的宇宙线粒子进入地球大气后,与大气中的氮原子核和氧原子核碰撞,产生介子,介子衰变,产生缪子和缪子型中微子。然后缪子又继续衰变,产生电子、电子型中微子以及缪子型中微子。在这两个相继的过程中,都有缪子型中微子产生,而电子型中微子只在第二个过程中产生。所以缪子型中微子数量应该是电子型中微子数量的两倍。
 
在探测器中,缪子型中微子和电子型中微子是可以区分的,两种中微子的数量可以分别测量出。原因是,它们的产生过程伴随着电子和缪子产生,而缪子比电子重两百多倍,所以二者导致的切伦科夫辐射情况很不一样。
 
但实验发现,两者并不是两倍关系,这叫做“大气中微子反常” [11]。在神冈实验中,这个结果只有4个统计置信度,但是后来超级神冈将置信度增加到9个以上。在高能物理实验中,一个“发现”通常需要5个以上置信度。
 
第四个结果是大气中微子振荡 [12]。大气中微子反常的原因是中微子振荡,即不同种中微子之间的转化。在此理论解释下,小柴团队从缪子型与电子型中微子的数目之比,反推出大气中微子振荡的参数的取值范围。这里的主要因素是缪子型中微子转化成了第三种中微子,叫做陶子型中微子。
 
5 超级神冈实验的结果
 
小柴昌俊在诺贝尔演讲中也介绍,超级神冈NDE改进了神冈NDE的结果 [4]。
 
一方面,对于太阳中微子,更精确地知道不同能量的中微子各有多少。这叫做能谱,可以给出太阳中微子振荡的信息。而且还可以通过中微子的飞行方向,得到太阳的中微子“透视”图,就好比医院里的X光机给出人体的X射线透视图。
 
另一方面,关于大气中微子,得到两种中微子数量之比与飞行方向的详细关系。中微子振荡的情况依赖于时间,也就是中微子飞行的距离。大气中微子来自探测器的上下两个方向,分别从水面和水底进入(中微子能穿透地球),所经历的路程大不一样,上方只是穿过大气层,下方经过大气层后,还要穿过地球。所以两种中微子数量之比依赖于入射方向。由此可以推导出大气中微子振荡的准确信息。
 
就在小柴做诺贝尔演讲的两天前,KamLAND的实验结果表明,正反中微子的振荡参数一样 [4]。
 
1988年,诺贝尔物理学奖授予了发现缪子型中微子的莱德曼(Leon M. Lederman),施瓦兹(Melvin Schwartz)和斯坦伯格(Jack Steinberger)。小柴昌俊在自传序言中说,据说宣布之前,1973年诺奖得主江崎告诉记者,1988年诺奖可能授予中微子的研究,结果从当年开始,直到2002年,每年都有记者到小柴家蹲守 [6]。
 
6 2015年的诺奖
 
2015年,因为“发现了中微子振荡,从而说明中微子有质量”,小柴昌俊的学生、领导超级神冈实验的梶田隆章和领导萨德伯里中微子观测台(SNO)实验的麦克唐纳(Arthur B. McDonald)分享了诺贝尔物理学奖。
 
麦克唐纳领导的SNO的探测器使用重水(普通水当中,氢原子的原子核就是质子,而重水中,重氢原子的原子核由一个质子和一个中子组成)。在这个探测器中,有的碰撞过程只能被电子型中微子引起,有的碰撞过程能被任何中微子引起。这样就可以探测电子型中微子在太阳中微子中所占的比例。2001年,SNO得到中微子振荡的结果。一年后获得KamLAND的证实。
 
而梶田隆章的获奖工作是超级神冈NDE获得的大气中微子中,两种中微子数目之比,以及由此推论的中微子振荡。2015年的诺奖委员会关于获奖工作的科学背景(scientific background)资料表明:“中微子振荡的有力证据由超级神冈合作组的梶田隆章在中微子98国际会议上给出” [13],然后引用了一篇关键论文 [14],最后明确将这篇论文列为梶田隆章获奖工作的关键论文。
 
可是,2002年,小柴的诺贝尔演讲也介绍了这个工作,引用了这篇关键论文[14],并展示了这篇论文所有作者的名字。那为什么梶田隆章还能以这篇论文再获诺奖呢?
 
这是因为小柴本人诺奖的重点是太阳中微子和超新星中微子的探测。在2002年诺奖官方资料中,只是在最新信息(advanced information)的“展望”(outlook)部分,才提到大气中微子振荡。诺奖网站上的小柴简历里的重要论文也只列了超新星中微子和太阳中微子各一篇。2015年的诺奖官方资料中,并没有提小柴,除了在提到戴维斯的时候,在括号内说他与小柴及贾科尼分享2002年诺奖 [13]。
 
事实上,梶田隆章是超级神冈NDE发现大气中微子振荡的负责人。他从神冈NDE建成,就开始研究大气中微子 [7]。在诺奖官方网站上,梶田隆章在自传文章中写道:“经过多年的计划和建设,超级神冈实验准确地按照计划,从1996年4月1日午夜开始取数据。那时起,我是大气中微子分析的召集人。在超级神冈数据分析的初期,有两个组做独立分析。在两个组的分析结果被确认类似后,我们决定将两个组合二为一。从那时起,我和波士顿大学的科恩斯领导大气中微子分析。” [13]
 
梶田隆章在2015年诺贝尔演讲最后表示:“特别感谢在我职业生涯中,小柴昌俊和户冢洋二(Yoji Totsuka)的持续支持和鼓励。” 户冢洋二也是小柴昌俊的学生,并帮助培养了梶田隆章。普遍认为,如果户冢洋二没有因癌症于2008年去世,肯定能获得诺奖。
 
1987年,探测到超新星中微子一个月之后,小柴昌俊退休,户冢洋二接班 [5]。神冈NDE的大气中微子和大气中微子论文都是在这之后发表的。后来户冢洋二也领导了超级神冈NDE的建造和运行。2002年,美国物理学会的潘诺夫斯基实验粒子物理学奖授予小柴昌俊、户冢洋二和梶田隆章师徒三人。
 
小柴昌俊培养了一大批优秀的学生,建起了一个大团队。其中,须田英博被称作最得力助手,帮助培养了户冢洋二,折户周治被称作长子 [6]。这三人都是英年早逝。
 
7 小柴昌俊的科研道路
 
2005年,小柴昌俊接受过一个访谈 [16]。在这个访谈中,他介绍了他的经历。
 
小柴昌俊从东京大学大学毕业时,还不确定是否要做物理科研。他研究生二年级时,因为认识后来获1965年诺奖的朝永振一郎,得到他的推荐,去罗切斯特大学留学。一年零八个月后,得到了博士学位。他的博士论文是Mort Kaplon指导下的宇宙线研究,纠正了在芝加哥大学教授Marcel Schein的结论。
 
1955年开始,小柴昌俊在Schein实验室做了三年博士后。之后回日本,在东京大学核物理研究所做了两年副教授。后又应Schein之邀回芝加哥参加他的一个国际合作项目。几个月后,Schein因心脏病去世,小柴昌俊便接任项目负责工作。三年后回日本。一年后转到东京大学物理系,开始培养研究生。
 
1969年开始,部分出于对学生就业前途的考虑,小柴的实验探测手段从核乳胶转到电子学探测器。他在神冈做了第一个地下实验,探测缪子,期间培养了户冢洋二。然后小柴去参加了俄国物理学家Budker领头的位于新西伯利亚的正负电子对撞实验。两年后,Budker得了心脏病。小柴昌俊便去参加德国汉堡的正负电子对撞实验DASP和JADE。
 
这时理论家菅原直孝建议小柴在日本进行质子衰变的探测。小柴想起在芝加哥时,曾将未用过的核乳胶胶片藏在一个岩盐矿山洞里,以躲避宇宙线。当时来芝加哥指导他们工作的意大利宇宙线专家Occhialini说,如果在山洞里充满水,用很多光电倍增管对着下面,总能发现点东西。虽然那时不可能有上万根光电倍增管,但这个想法在小柴脑里停留多年,后在神冈实验里得以实现。小柴曾经说,研究人员要考虑两三个目前不能做,但将来能实现的“卵”。将暂时不能实现的想法存在,条件成熟后再实现。这是科学研究中的一个方法。
 
于是小柴开始进行神冈NDE的建造和实验,同时也参加欧洲核研究组织(CERN)的OPAL实验。
 
小柴建造神冈NDE,在科学上的动机是寻找质子衰变,同时为了让低年级研究生在没有加速器的情况下,也能开展粒子物理实验。这种兼顾科研与人才培养的策略值得借鉴。
 
小柴从东京大学退休时,将CERN的实验和神冈实验分别交给两位学生,又在日本的私立学校东海大学工作了9年。
 
8 教 益
 
从小柴昌俊的科研经历,我们可以看到一些成功经验。
 
他将质子衰变探测器升级为以探测中微子探测器,而且能独辟蹊径,战胜美国竞争者。因为探测手段优于戴维斯的放射化学方法,给出了太阳中微子的更多信息。而且他一开始就开始计划更大的超级神冈探测器。抓住机会,创造条件,及时调整方向,小柴昌俊树立了一个很好的范例。
 
超新星中微子的探测有机遇和运气的因素,因为当时探测器刚开始工作不久。但也因为探测器建造成功,有所准备,才能将机遇转化为成功。
 
小柴昌俊喜欢以有限的资源获得尽量多的研究结果。他将科学研究与人才培养有机结合,在课题选择上也兼顾学生的训练机会。这些也值得借鉴。
 
9 核电站的反中微子
 
前面提到,来自太阳的中微子是“正”中微子。神冈NDE也探测到了反中微子,来自超新星。核电站的核反应堆也产生反中微子。莱因斯最初发现的中微子就是来自核反应堆的反中微子,当时的探测方法基于反中微子与质子反应,产生正电子,与电子湮灭,发出光子,被光电倍增管探测 [3]。
 
既然神冈NDE能探测来自超新星的反中微子,核反应堆产生的反中微子也能用这种方法,基于纯水和光电倍增管,通过切伦科夫辐射来探测。KamLAND探测器以及中国的大亚湾核电站中微子探测器都是这样。
 
太阳中微子的振荡发生在电子型中微子和缪子型中微子之间,大气中微子的振荡发生在缪子型中微子与陶子型中微子之间。中国大亚湾核电站的中微子实验研究了第三种中微子振荡,发生在电子型中微子和陶子型中微子之间。
在实现原定科学目标后,中国大亚湾反应堆中微子实验装置于2020年12月12日正式退役。图源:上观新闻
 
2012年,大亚湾中微子实验以5.2的统计置信度确定了振荡参数。2020年12月12日,在完成科学使命后,大亚湾中微子实验装置停止工作。
 
参考资料:
 
[1]2002年诺贝尔物理学奖官方资料,
 
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/summary/
 
[2]施郁.人生危机催生中微子假说 | 纪念物理大师泡利,. 南方人物周刊,2019年第12期,:58-63。
 
[3]施郁. 诺奖委员会的错误:幽灵粒子是如何现身的?知识分子 2019-08-04
 
[4]小柴昌俊. 诺贝尔演讲,
 
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/koshiba-lecture.pdf
 
[5]施郁. 物理学家温伯格首次面向中国公众的演讲. 知识分子,2020-11-2
 
[6]小柴昌俊. 我不是好学生:诺贝尔奖获得者小柴昌俊的传奇人生. 戚戈平,李晓武译,科学出版社,2008。
 
[7]小柴昌俊. 幽灵例子:透视未知的宇宙,逸宁译,人民邮电出版社,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年诺贝尔物理学奖官方资料,
 
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.



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