VIP 專屬文章 重磅專訪》微中子其實有質量!顛覆物理界假設 神岡實驗打造「師徒二代諾貝爾獎」傳奇

2026-05-27 08:40
諾貝爾物理獎得主梶田隆章(Takaaki Kajita)接受《風傳媒》獨家專訪。(蔡親傑攝)
諾貝爾物理獎得主梶田隆章(Takaaki Kajita)接受《風傳媒》獨家專訪。(蔡親傑攝)

台灣全力發展AI,推動AI新十大建設,加強培育AI相關人才,對於需長期投入且無法馬上看到成果的基礎科學,誰來關注?諾貝爾物理獎得主、東京大學宇宙射線研究所卓越教授梶田隆章(Takaaki Kajita)接受《風傳媒》獨家專訪時指出,「基礎科學能夠拓展人類知識的視野,即使當下沒有任何應用,希望大眾了解基礎科學的重要性。」

梶田隆章出生於日本埼玉縣農家,在當地高中、大學畢業。這位農家長大的孩子,樂觀、聰明、勤奮、專注與謹慎,56歲時獲得諾貝爾物理獎,寫下傳奇。

研究證明微中子有質量,顛覆粒子物理標準模型的假設

諾貝爾物理獎得主梶田隆章應「台灣橋梁計畫」訪台,4月23日於中央研究院以「基礎科學國際合作:實務經驗分享」為題,發表演講。「台灣橋梁計畫」由中研院、台灣大學等多所學研機構,與世界和平基金會(International Peace Foundation)共同推動,促進台灣與全球頂尖學者的深度交流。

微中子(neutrino)為宇宙中數量第二多的粒子,最難以捉摸,粒子物理標準模型假設微中子不具有質量。梶田隆章研究團隊首次證實「微中子振盪」(neutrino oscillations)現象,證明微中子具有質量,顛覆了粒子物理標準模型的假設,於2015年與Arthur McDonald共同獲頒諾貝爾物理獎。

20260423-諾貝爾物理獎得主 Takaaki Kajita 專訪。(蔡親傑攝)
諾貝爾物理獎得主梶田隆章(Takaaki Kajita)接受《風傳媒》獨家專訪。(蔡親傑攝)

神岡探測器,孕育兩位諾貝爾物理獎得主

日本岐阜縣飛驒市廢棄的神岡礦山地下深達1000米,為日本神岡探測器(Kamiokande)與超級神岡探測器(Super-Kamiokande)的所在地,所蒐集的微中子資料孕育兩位諾貝爾獎得主,分別是2002年物理獎得主小柴昌俊和2015年物理獎得主梶田隆章。

神岡實驗為日本基礎科學旗艦計畫,由於第一代神岡探測器打下成功基礎,日本政府打造超級神岡探測器,經費約1億美元,於1996年啟用。超級靈敏的探測器設置在地下深達1000米的岩層裡,可避免外在干擾,成為探索宇宙基本粒子的神器。

為了進一步探索微中子與宇宙物質起源的關係,需要規模更大更精密的探測器,日本政府興建新一代頂級神岡探測器(Hyper-Kamiokande),建造成本預估逾650億日圓,預計2028年啟用,這將是全球最大的微中子探測器。

20260526-e401-01-諾貝爾獎得主 Takaaki Kajita 小檔案

師徒三代獲得諾貝爾物理獎,傳為美談

梶田隆章的指導教授小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)為2002年諾貝爾物理獎得主,而小柴昌俊的指導教授朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)為1965年諾貝爾物理獎得主。梶田隆章的獲獎,創下日本首例師徒三代獲得諾貝爾物理獎的紀錄。

現年67歲的梶田隆章神采奕奕來到中研院,在演講後接受《風傳媒》獨家專訪,針對學思歷程、人生中影響最大的人、微中子研究突破性發現、基礎科學國際合作等議題,做了深入的剖析。

何時決定成為物理學家?神岡實驗讓梶田隆章下定決心

何時決定成為物理學家?梶田隆章指出,1981年讀研究所時,參與神岡實驗(Kamiokande),最初是一個非常小的實驗,大約10多人的小團隊,很多事情都要自己做。在博士班第一年時,必須到神岡現場,深入地底下,負責建造探測器。

梶田隆章表示,「我很喜歡這些工作,我認為神岡探測器所蒐集的資料對於物理學將有很大貢獻。我對神岡實驗感到非常興奮,懷抱高度的期待,就在那個時候,決定要成為一個物理學者。」

神岡實驗為日本基礎科學旗艦計畫,成功孕育出兩位諾貝爾獎得主,是一個成功的故事。神岡實驗最初如何開始?如何說服日本政府支持?梶田隆章回答中研院研究人員提問時表示,最初,很多人認為觀察質子衰變是重要問題。日本科學界對於神岡實驗感到非常興奮,認為這是很重要的計畫,東京大學等許多學研機構積極參與並尋求民間支持,最初日本政府並未認同這項計畫。

梶田隆章表示,神岡實驗打算在神岡廢棄礦坑地下深處進行,必須取得日本政府同意和經費的支持,因此向政府提出申請計畫,但最初的預算非常少。總之,科學界認為這項計畫非常重要,試著說服政府支持,讓這項計畫趕快開始進行。

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諾貝爾物理獎得主梶田隆章在1981年讀研究所時參與神岡實驗。(蔡親傑攝)

首次證實「微中子振盪」,引發轟動

梶田隆章自1981年加入神岡實驗,直到1998年發表針對微中子的突破性發現,當年他在國際會議發表這項重大發現,引發轟動。這項研究藉由蒐集宇宙射線與地球大氣反應後所產生的微中子,發掘微中子由大氣層進入日本超級神岡探測器的行進過程中,發生改變型態的現象,首次證實「微中子振盪」,證明微中子具有質量,推翻粒子物理學標準模型「微中子無質量」的假設。

微中子有哪些特質,長久以來是粒子物理的謎團。超新星爆炸會產生微中子,地球上所偵測到的微中子多數來自太陽內部的核反應。梶田隆章指出,微中子就像電子,但沒有電荷,是宇宙的基本粒子;微中子可以輕易穿越太陽和地球,可帶來恆星中心基本過程的資訊;微中子有三種型態,分別是電微中子、緲微中子、濤微中子;微中子以往被認為不具有質量。

神岡實驗蒐集的微中子數據不符合預期,決定進一步找出解答

梶田隆章對微中子研究的重大突破,改變了人類對宇宙的認知。他指出,「自己非常幸運,成為神岡實驗的一員。神岡實驗最初目的是探索質子衰變,為了偵測質子衰變,必須了解其背景,那就是微中子。我們必須分離質子衰變訊號與微中子背景,因此必須提升資料分析。後來,我們發現,神岡實驗蒐集的微中子數據不符合模擬數據。」

科學家在實驗過程中經常遭遇失敗,必須進一步找出原因,如果找到背後的原因,那通常是重大突破。他表示,「當時,我們不知道是什麼原因,但我認為這是一個重要問題,決定進一步探討,找出解答。」

梶田隆章在1986年獲得東京大學理學博士學位,那一年,他很幸運擔任指導教授小柴昌俊的研究助理。這段期間他發現微中子數據不符預期的問題,決定進一步探索。對他而言,這是個重要的轉折點。

20260423-諾貝爾物理獎得主 Takaaki Kajita 專訪。(蔡親傑攝)
諾貝爾物理獎得主梶田隆章對微中子研究的重大突破,改變了人類對宇宙的認知。(蔡親傑攝)

個性超級謹慎,花一年挑錯,沒有找出任何錯誤

神岡實驗所獲得微中子資料不符合模擬數據,梶田隆章花了一年時間仔細檢查,究竟什麼地方出錯?他表示,「看到數據不符合預期,心想可能我們的資料發生錯誤,於是一再地檢查,想找出那裡出問題,沒想到,花了一年時間努力地檢查,沒有找出任何錯誤。」

個性謹慎的梶田隆章對於研究過程與資料分析,非常嚴謹。他笑說,「花了一年時間查不出任何錯誤,我想可能不是我們弄錯,但我還是不能百分之百完全確定我們的數據沒有問題。當時,幾乎可以確定不是我們的數據有問題,不過,我還是非常謹慎,因為人類總是會犯錯,而且不容易查出來。」

梶田隆章:微中子極微小質量是了解宇宙基本法則的關鍵

宇宙裡的微中子,以光速前進,可以穿透任何物體,難以捉摸、偵測,仍有許多謎團未解。微中子具有質量,有何意涵?梶田隆章說明,「我們發現微中子具有質量,但與其他粒子相比,微中子質量非常微小,必須進一步了解,目前粒子物理標準模型無法回答這個問題。我認為,微中子極微小質量是了解宇宙基本法則的關鍵。」

梶田隆章從1981年加入神岡實驗,經歷神岡探測器、超級神岡探測器;他在2010年決定把研究焦點轉向重力波,重力波觀測有助於深化對重力本質的理解,探索黑洞、中子星合併、超新星爆發等宇宙極端現象。基礎科學如微中子研究需要數十年,還不一定有結果,如何堅持到最後一刻?梶田隆章笑說,「一開始,我只是想了解為何取得的微中子數據不符合預期。」

20260423-諾貝爾物理獎得主 Takaaki Kajita 演講。(蔡親傑攝)
諾貝爾物理獎得主梶田隆章經歷神岡探測器、超級神岡探測器;他在2010年決定把研究焦點轉向重力波。(蔡親傑攝)

梶田隆章:基礎科學非常重要,可拓展人類知識視野

社會大眾如何理解微中子具有質量的重要性?梶田隆章強調,「能夠發現微中子振盪現象,微中子具有質量,非常幸運,這些研究的目的是拓展人類知識視野。我希望大眾可以明白,基礎科學非常重要,可拓展人類知識視野。」至於微中子研究未來有哪些應用潛力?他搖頭表示,「我不清楚。」

一路走來,人生中影響最大的人?梶田隆章表示,「指導教授小柴昌俊對我的影響最大,包括他的思想、追求科學的方法與態度。自己很幸運,碰到這麼好的導師,受益良多。」

一路走來,指導教授小柴昌俊的影響最大

梶田隆章參與神岡實驗,自1983年7月開始進行實驗,最初目的是偵測質子衰變,不過,質子衰變時間比當時預期來得長,神岡探測器沒有偵測到質子衰變的數據。小柴昌俊於是建議,神岡實驗轉為偵測太陽微中子,研究團隊花了3年時間提升神岡探測器的靈敏度,當時日本缺乏先進的偵測技術,感謝美國賓州大學提供關鍵技術,在日美團隊合作下,神岡探測器技術升級在1987年1月準備就緒。

巧的是,1987年2月發生一個壯觀的天文事件,銀河系外麥哲倫星雲(Magellan Cloud)有一顆超新星爆炸。梶田隆章指出,當時神岡探測器馬上發揮作用,偵測到10次微中子事件。這次超新星爆炸,人類眼睛可以看見,這是400年後首見,所以,這次神岡探測器非常幸運偵測到很多寶貴資料。

小柴昌俊:微中子來到地球,只有準備好的人可以掌握

小柴昌俊所獲得超新星爆炸微中子資料,為人類首次偵測到宇宙微中子資料,對天體物理學有開創性貢獻,於2002年獲得諾貝爾物理獎。梶田隆章提起,小柴昌俊曾指出,「很多人說,我很幸運,然而,當時宇宙微中子來到地球,只有準備好的人可以掌握這些資料。」

神岡實驗最初目的是偵測質子衰變,後來轉為偵測太陽微中子,最後偵測到超新星微中子。梶田隆章強調,指導教授小柴昌俊的智慧語錄非常重要,「多準備研究的點子,其中有些未來可能孵化成功。」

20260423-諾貝爾物理獎得主 Takaaki Kajita 專訪。(蔡親傑攝)
諾貝爾物理獎得主梶田隆章強調,指導教授小柴昌俊對自己的研究生涯影響最大。(蔡親傑攝)

世界面臨最大挑戰為氣候變遷,鼓勵所有人來解決問題

世界面臨最大挑戰為何?梶田隆章指出,「世界面臨最大挑戰之一是氣候變遷,目前最重要的是降低二氧化碳排放。然而,仍有許多人不願意相信氣候變遷,我們需要更多更強的科學證據,證明氣候暖化。我們無法說服所有人相信氣候暖化,必須努力找出更多更強的證據,以及對未來更精準的預測。我們必須鼓勵所有人來解決這個問題。」

由於神岡探測器的規模越來越大,需要各國最聰明人才投入。目前進行中的頂級神岡計畫(Hyper-Kamiokande),正在打造72公尺高,直徑68公尺超大神岡探測器,這將是全世界最大微中子探測器。

頂級神岡探測器2028年啟用,梶田隆章:我們需要聰明的腦

梶田隆章指出,這項計畫須透過國際合作進行,將有650位專家來自23個國家和地區。他強調,「我們需要來自各國最聰明的腦,我們需要最優秀的人才共同來探索宇宙的大問題。」

對於年輕科學人的建議?梶田隆章指出,「依據我個人的經驗,基礎科學是令人興奮的,希望對科學有興趣的年輕人勇敢追求科學職涯,成為科學家。」

梶田隆章從參與神岡計畫探索微中子到神樂(KAGRA)重力波計畫,他表示,「參與研究過程中,有許多興奮的時刻,基礎科學真的令人興奮。此外,某些科學研究結果與發現,對人類的未來非常重要。」

個性謙和、處事嚴謹的梶田隆章,以「拓展人類知識視野」的好奇心,從事基礎科學研究,一轉眼逾45年,從探索微中子到重力波,儘管當前看不到應用層面,對他而言,有機會拓展人類知識視野,就是最重要的貢獻。

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