陳健邦觀點:日本物理界的壯舉─從神岡微中子到ILC計劃

2015-10-21 06:10
探測微中子的超級神岡探測器(Super-Kamiokande)
探測微中子的超級神岡探測器(Super-Kamiokande)

2015年10月6日、在日本東北的岩手縣立大學,聚集了近百位的大學員工和媒体工作者,等待收看網路傳來的諾貝爾物理獎消息。午後6時45分, 瑞典皇家科學院的祕書長揭曉說: 「今年獲獎的,是有關於某一宇宙中人數最眾多的族群,其身份特徵可能轉變的發現。」 "This year's prize is about changes of identity among some of the most abundant inhabitants of the universe." 此一敘述的精確物理含義,對大多數人而言,是難以掌握的。接著,人們清楚聽到了,物理獎授予加拿大的亞瑟·麥克唐納(Arthur Bruce McDonald)和日本東京大學的梶田隆章,表彰他們發現了微中子振盪(neutrino oscillation)現象,從而證實了微中子的質量不為零。岩手縣立大學現場的人群,在啊的一聲之後,是嘆息,是一片靜默。

梶田隆章的得獎,其他日本人普遍興奮。岩手大學的人群反應為何卻有失落之情?岩手大學2015年4月才上任的校長鈴木厚人,是梶田隆章的同門前輩,也是微中子實驗物理的專家。這嘆息,一是為鈴木厚人,另外則是為了一振興東北的雄圖,國際直線對撞機,ILC計劃之難產而嘆。

2015年諾貝爾物理學獎得主梶田隆章(美聯社)
2015年諾貝爾物理學獎得主梶田隆章(美聯社)

 

岐阜縣的飛驒高山一帶是富有舊日本風情的旅遊勝地,在往神岡的公路旁,建有一特殊造型的神岡星空小巨蛋(Skydom) 。此一星星和旅人的驛站,販賣土產和提供餐飲服務及旅游資訊。為什麼日本人會蓋了這樣一座外太空造型的公路休息站來迎接旅客?

這個「星星和旅人的驛站」,是在等待微中子,也等待諾貝爾物理獎的到來。終於在2002年10月,神岡町的緊急廣播響起,播放出:「我們大家長年的好鄰居,東京大學宇宙線研究所神岡實驗室的小柴昌俊教授,得到了諾貝爾物理獎。」這離上一次日本人的諾貝爾物理獎,1973年的江崎玲於奈,隔了29年,對日本的學術界而言,意義重大。

神岡星空小巨蛋圖示。(網頁截圖)
神岡星空小巨蛋圖示。(網頁截圖)

話說1950至1970年代,高能物理是物理學的研究主流。歐洲和美國紛紛投入經費建造大型的粒子加速器。由於所需的費用太高,又很難說會有什麼實用價值,不易得到足夠預算的支持。日本東京大學的小柴昌俊決定另闢途徑,利用來自外太空具有高能量的宇宙線,「靠天吃飯」來進行「窮人的高能物理」實驗。小柴昌俊提新計劃,將實驗設備埋設在深山中一個廢棄礦坑之中。1981年,小柴昌俊開始指揮弟子們在神岡礦坑地下的實驗進行建設工程。 (相關報導: 美聯社專訪屠呦呦:不居功、看輕名分的抗瘧大功臣 更多文章

最初,神岡實驗的設計是為了觀測質子的衰變,必須排除來自其他輻射雜訊的干擾,而深入地下一公里。小柴昌俊的團隊花了兩年,可是找不到質子衰變的跡象。於是轉移目標,又花了兩年改善提升儀器的靈敏度,準備觀測來自太陽內部核融合反應所產生的微中子。一九八七年二月,設備完成改善並運轉。就在此時,一位天文學家給在神岡做研究的朋友發來傳真信說:「大麥哲倫星雲內發生超新星爆炸,你們有看到嗎?」這次超新星爆炸,在十六萬光年之外,人生百年難得一見,根據理論會放出大量光子和大量高能量微中子。神岡的研究者取出實驗記錄磁帶送回到二百多公里之外的東京大學本部做分析,證實在十秒間共觀測到來自超新星的十一個微中子。當時,小柴再過一個月就要由東大退休了,這真是從天而降的禮物。神岡設施也意外地變身為「微中子天文觀測站」,吸引了國外的支持合作。

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