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

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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。

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。

從前人們觀測星空,只能使用天文望遠鏡,利用可見光、無線電波來探索宇宙和天體之謎。小柴昌俊利用神岡町礦山地下的實驗設備,偵測到來自遙遠星空的微中子,得以藉之研究天體物理,開拓了「微中子天文學」的領域,他的學生戶塚洋二著書《從地下探索天上的奧秘》,回顧了他們從基本粒子研究轉向探索宇宙物理的歷程。小柴昌俊因此得到日本國民的最高榮譽「文化勳章」,也得到以色列的沃爾夫獎。

神岡實驗室的Logo,涵義:從地下探索星空的奧秘。
神岡實驗室的Logo,涵義:從地下探索星空的奧秘。

小柴常對學生提示兩件事:其一,「我們是用國民納稅的血汗錢來追求我們的夢想,買儀器時要努力省錢,不可依生意人所開的價格。」得獎後,他特別感謝濱松公司,當年為製造實驗所需的大型光電子倍增管,容忍了他的無理要求,賠了三億日圓,交出成品,成就了神岡實驗。其二,「想成為研究者,先要隨時抱著三、四個有希望的「研究鳥蛋」,機緣成熟時,該會有鳥破殼飛出吧。」好好把握,幸運會來拜訪有準備的人。

大學時代,小柴必須打工維持家中生計,很少去上課,他在2001年東大畢業典禮中應邀致詞時,特意展示他的「爛成績單」。他說:「成績單不是未來人生的保證。」

記者問他何以能得到諾貝爾獎,小柴回答:「白天專心做研究,回家後看水戶黃門(指為民除害的德川光國,可說是,日本的包青天)電視劇。」記者再問:「為什麼愛看水戶黃門?」小柴說:「看到壞傢伙被好人抓起來,就覺得很開心。」

神岡實驗的中挫與復原

自1930年,沃爾夫岡·包立(Pauli)為了解釋原子核的貝他衰變,而提出了微中子(neutrino) 存在的假說。直到1956年,物理學家才從核反應堆中的誘發反應,得在微中子存在的證據。

理論上,微中子彌漫在宇宙之中,無所不在。可是,微中子僅參與弱交互作用,與普通物質不產生反應,在宇宙中穿行無阻,難以被偵測,被視做基本粒子族群中的「隱身人」,長久以來,認為微中子的質量為零。自大爆炸宇宙創生後,微中子即佈滿於太空中,微中子的質量雖然微乎其微,但只要不是零,其質量的大小對宇宙演化和物理學的大統一理論有重大意義。

在小柴昌俊的突破之後,微中子實驗成為宇宙論和基本粒子物理交會的最前線。神岡實驗室原本只有數十人的研究小組,在觀測到來自超新星的微中子之後,得到日本政府的經費支持,建造功能更好的超級神岡探測器,聚集了數百名的國際團隊。戶塚洋二接棒主持研究。於1996年啟用新的超級神岡探測器。

2002諾貝爾物理獎得主小柴昌俊。
2002諾貝爾物理獎得主小柴昌俊。

1998年,在高山市「微中子物理學・宇宙物理學國際會議」,梶田隆章代表美日的研究團隊宣讀論文,宣佈發現「微中子具有質量」,全場人員起立,不停的掌聲響起,有如在一場音樂盛會後,向演出者致敬。

擔任宇宙線研究所所長的戶塚洋二,人稱「鬼軍曹」(魔鬼教練), 2000年,戶塚洋二動了大腸癌手術。2001年11月,因為意外事故,超級神岡探測器的數千隻光電倍增管突然爆裂,實驗陷入困境之中。戶塚洋二忍病,領導重建再開啟實驗。    

梶田隆章分析觀測來自太陽的微中子時,發現數據有異樣,即太陽微中子在抵達地球之前的數目會變化,即有些會離奇消失,依此推測有中微子振盪現象的存在,即三種不同的微中子,在行進中會互相轉變類型,而未能被特定的探測器所檢出。

亞瑟·麥克唐納在加拿大安大略省所領導的SNO實驗室,也在長期的國際合作下,得到和超級神岡實驗互為佐證的結果。

物理巨匠的師生情

小柴昌俊何以能克服萬難完成了戰後日本物理學界最重要的實驗?為何神岡實驗室在微中子物理實驗能領先?日本的物理學家,為何能走出自己獨特的道路?

小柴昌俊的大學時代是日本戰後的艱困期,小柴必須打工維持家中生計,很少去上課,他在2001年東大畢業典禮中應邀致詞時,特意展示他的“爛成績單”。他說:「成績單不是未來人生的保證。」

2006年在京都的「湯川、朝永生誕一百年紀念研討會」上,小柴昌俊用以下故事做開場白,追思朝永振一郎(1965年諾貝爾獎得主)對他的影響:「有一次在同學的婚宴上,朝永先生做為證婚人,指著新郎說,這是跟我學物理的學生。在座的小柴君,是向我學喝酒的學生。那一瞬間,我感動的落淚。」小柴昌俊沒跟朝永振一郎學過物理,但因長輩的介紹,得到朝永振一郎的關照,時相過從一起喝酒暢談。東大畢業後,因朝永振一郎的推薦信,小柴昌俊得到獎學金去美國的羅徹斯特大學留學。

從左到右:1965年諾貝爾獎得主朝永振一郎及共同獲獎的理察·費曼及朱利安·施溫格。(維基百科)
從左到右:1965年諾貝爾獎得主朝永振一郎及共同獲獎的理察·費曼及朱利安·施溫格。(維基百科)

小柴昌俊拿到美國的博士之後,回到東京大學任副教授,但不吃香。當時,日本沒有高能量的加速器,小柴昌俊的幾位學生:須田英博、戶塚洋二、折戶周治、鈴木厚人都被派去德國、義大利合作,從中學習累積了儀器設計和實驗數據分析的技術。這四位是小柴昌俊的第一代骨幹學生,成為日本高能物理學界獨領風騷的學派。可惜其中三位都壯年早逝,可說是物理學界中的過勞死族群。梶田隆章受業於小柴昌俊、戶塚洋二,算是第二代學生了。

小柴曾經說「在我的弟子當中,有二人夠格得諾貝爾獎」。2007年,亞瑟·麥克唐納和戸塚洋二共同獲得富蘭克林獎章,被認為離諾貝爾獎只差一步了。不幸,2008年7月,戶塚洋二因大腸癌去世。小柴在《文藝春秋》撰文追悼說,「戶塚只要再多活十八個月,必能獲得諾貝爾獎」。2014年,美國《今日物理》(Physics Today)預測,因戶塚洋二已故,梶田隆章可望與亞瑟·麥克唐納共享諾貝爾物理獎。這一預言終於實現。

鈴木厚人也是超級神岡探測器的主要研究人員,做出許多提升超級神岡探測器性能的貢獻。其實這些大團隊的合作實驗,追求靈敏度的一再提高,許多成果,往往是建立在別人的心血之上。

梶田隆章在得獎後,回到東京大學的安田講堂說:「在實驗現場日夜不休進行研究工作的是研究生和技術人員,這是結集了非常優秀的年輕力量才得到的成果,才有諾貝爾獎的成就。」對東京大學深表謝意。

振興東北的雄圖:ILC計劃

在歐洲CERN的大強子對撞機(LHC)實驗發現希格斯粒子之前,國際高能物理學界就寄望能早日建造下一世代大型實驗設施「國際直線對撞機」(ILC),扮演「希格斯粒子工廠」的角色。此國際合作計劃,經專家小組研究八年之後,完成初步設計,提出計劃書,打算建設全長31公里(可再延長至50公里)的直線隧道型超高能量的正負電子對撞機,並在世界各地進行研究基地的選址。日本的選址評估小組建議以日本東北岩手縣的北上山地為基地。

在311東日本大震災之後,東北人士不只是期望「復原」,而是有所突破振興。在許多學術會議、電視宣傳、說明會之後,岩手縣人士大力推動,將這項建設視為311東日本大震災災後重建事業的一環。又說,ILC計劃若能在日本成功進行,日本會成為一受人尊敬的國家。物理學界則希望,能在CERN之後,在日本打造出另一高能物理研究的聖地。

此計劃預估耗資50億至100億美金,環境整理和儀器設備的建設需費時十年,研究工作再進行十年。估計可吸引一萬名國際專家移居日本,研究園區可形成一國際化的新市鎮,對日本社會改造發揮影響,並提供25萬人的工作機會。因建設經費的約半數費用由興建地國家負擔,因此歐美國家對於爭取建設顯得消極。啟動之後,又有預算增加的疑慮,日後的營運也要巨大的支出。雖然高能物理學界極力遊說,日本政府在徵詢「日本學術會議」的意見之後,決定暫不向國際提出申請。

日本物理學界推動ILC計劃是以「高能加速器研究機構」為主力。之前,鈴木厚人從2006年4月開始擔任高能加速器研究機構長,至2015年才卸任。鈴木厚人,也一直被認為是有望得諾貝爾物理獎。地方人士認為,鈴木厚人如果得諾貝爾物理獎,對岩手縣爭取ILC會有大助益。因期望落空,才有失落之情。

鈴木厚人。(泉萩會官網)
與諾獎失之交臂的鈴木厚人。(泉萩會官網)

當年被問到:「捕捉到微中子,有什麼用?」小柴昌俊說:「沒有用。沒用的研究也是重要的。只要能增加人類的共通知識和智慧財產,我想也是好的。」今年,得知梶田隆章獲獎之後,鈴木厚人說:「就首先發現微中子的質量此一偉業而言,超級神岡團體成員的得獎是妥當的。微中子不再是『幽靈粒子』了、終於被證實和其他的基本粒子具有同様的性質。」

當年小柴昌俊找上他的高中同學,當時日本的大藏大臣宮澤喜一,請求支持神岡實驗預算,只要求四億日圓。如今ILC計劃已不是「窮人的高能物理」實驗,其預算上看一百億美金,預算相差在千倍以上,即使富人也玩不起,是其啟動的最大難題。ILC計劃的宣傳,以「逼近宇宙創生之謎」為口號。高能物理的尖端研究,畢竟離一般人太遠。希格斯粒子、微中子振盪,這些名詞意義的了解,要對量子力學理論有深度理解,非常人所能領悟。ILC計劃的推動,可能會再停擺一陣子。

微中子,中國大陸物理界譯為中微子。受到神岡實驗的刺激,中國也選擇在既有的核能發電廠附近,通過國際合作,先後建立了大亞灣、江門兩個中微子實驗站,希望不在高能物理的尖端研究中缺席。江門中微子實驗站設定的主題,更直指「測量中微子質量順序」,試圖領先其他團隊突破中微子質量之謎。當年方勵之在研究宇宙論時,想到中微子在宇宙中所扮演的角色和自己的命運,這麼說過:「常會覺得自己只不過是一個中微子,知識份子就像宇宙中的中微子,是微不足道的,但只要有很小的質量,宇宙的命運也就決定於這些不足道者。」或許,新一代中國的物理學家在探索中微子質量之謎時,會有人再思索方勵之的這一段話。

*作者為上市公司獨立董事,專欄作家

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