超高靈敏度的超級神岡探測器：挑戰超新星爆發之謎

世界上最先進的中微子探測器「神岡探測器」和「超級神岡探測器」 分別促成了兩位偉大的諾貝爾物理學獎獲得者（小柴昌俊和梶田隆章）的誕生。2020年8月，「超級神岡探測器」完成了提高靈敏度的改建工程，並開始了新的觀測，來探究超新星爆發和宇宙演化的奧秘。此次，我們前往座落於飛騨（HIDA CITY）市神岡町的該設施，採訪了該實驗首席研究員、東京大學的中畑雅行教授，來一起思考一下人類目前致力於這項研究的意義。

從「賢者之石」到探索宇宙的過程

被稱為「宏觀經濟學之父」的凱恩斯有一篇開篇與眾不同的論文，第一句話是這樣的：

「在討論他的真實身份時，我必須承認有些猶豫。」

其內容是揭露被稱為現代科學創始人的科學家牛頓的秘密。

這要追朔到稍早的1936年，一個裝有牛頓手稿的盒子被其後人送到了蘇富比拍賣會上。凱恩斯幾乎拍得了半數遺稿，其中有一份煉金術手稿，上面記載有「綠獅」、「愚妓」等密碼。凱恩斯形容牛頓是「一隻腳踏在中世紀，另一隻腳踏入了現代科學之途」。

在17世紀，牛頓一直在尋找可以將鉛等低價金屬變成金子、並使人類永生的「賢人之石」。晚年時，他花了很多時間在煉金術上，據說還因為汞中毒而發瘋。

科學巨人牛頓為什麼會沉迷於神秘學研究？科學史家們在困惑許久之後得出的一個猜測是：在發現關於引力的宇宙定律（萬有引力定律）之後，牛頓試圖構建物質理論。他或許認為可以通過煉金術從根本上解決「物質的構成要素是什麼？」這個基本問題。

牛頓早了300年。這是因為答案的線索來自於20世紀發展起來的核子物理學、粒子物理學和大爆炸宇宙論。隨著這些知識的積累，人類終於進入了一個適合挑戰這個謎團的時代。這就是中微子天文學。

日本的中微子研究，一直處於世界領先地位

讀者中可能有很多人聽說過中微子的研究，因為該研究催生了兩位來自日本的諾貝爾物理學獎獲得者——小柴正俊和梶田孝明。

1987年，「神岡探測器」（以下簡稱，神岡）成功觀測到超新星爆發產生的中微子，該項目的主要研究者小柴教授於2002年獲得諾貝爾物理學獎。此次成功影響巨大，於是又建造了比神岡大25倍的「超級神岡探測器（Super-K）」（以下簡稱，超級神岡），並於1996年開始投入觀測使用。隨後，梶田教授因驗證了「中微子振盪」，證實了中微子有品質而獲得2015年諾貝爾物理學獎。日本的中微子研究取得了令人矚目的成就。

超級神岡的水箱，2018年改建時，蓄水41公尺深的水箱排出約4公尺蓄水後的情景（提供：東京大學宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究設施）

中微子是構成宇宙的基本粒子中的一種。
它最大的特點是「宇宙中最難以捉摸的粒子」。

例如，在地球上，誕生於太陽的中微子數量最多，據計算，每秒有幾百萬億個中微子落在人體身上。然而，其中99.999999999999999999999％（共23個9）都會若無其事地穿身而過，大約每50至100年才會有一個中微子與構成人體的原子核和電子相撞。能出現這種反應本身就是一個奇跡。

「但是，在蓄滿約5萬噸純淨水的超級神岡中，每天可以捕捉到來自太陽的約20個中微子和來自大氣層的約10個中微子。」超級神岡首席研究員、東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙基本粒子研究設施主任中畑雅行解釋說。

中畑教授帶我們參觀了超級神岡的設施，巨大水箱就在下一層

中微子，唯一能直接看到「宇宙高爐」的眼睛

通過捕捉中微子，我們可以瞭解到宇宙的哪些資訊呢？

「要理解這一點，需要先瞭解一下宇宙的歷史。宇宙是由138億年前的大爆炸產生的。大爆炸中產生的元素主要是氫和氦，更重的元素是由恒星內部的核聚變反應和超新星爆發而產生的。當比太陽品質大8倍的恒星迎來生命的終點時，就會產生超新星爆發和中子星合併的高溫高壓環境，特別是比鐵重的元素，如金、銀等被認為是在這種環境中一次性合成的。」

換句話說，產生黃金的「賢人之石」並不存在於地球上，而是存在於超新星爆發等形成的「宇宙高爐」中。

因爆炸而散落在太空中的元素，不久在引力的作用下又再次聚集在一起，形成新的恒星，而這些恒星在生命結束時又發生爆炸...換句話說，如果把輕的元素比作高音樂器，重的元素比作低音樂器，每一次恒星的生死輪回，就會加入更重的元素，宇宙的音色也會變得更加豐富。

太陽系和地球，以及包括必需的微量元素在內的、由多種元素組成的我們自身，也是這場音樂劇的受益者。

那麼，這一切是在宇宙的哪個時代發生的，這些元素是如何產生的呢？

「最重要的是，瞭解超新星爆發細節的唯一直接線索就是中微子。超新星爆發釋放出巨大的能量，其中99%的能量以中微子的形式釋放到太空中。中微子是在爆炸開始前從恒星的中核產生的，它們不與周圍的物質發生反應，只是穿透過去。這是唯一能直接看到超新星爆發內部情況的『眼睛』」，中畑教授解釋說。

那麼，如何捕捉一個可以穿透萬物的中微子呢？承擔這一重任的探測裝置就隱身在岐阜縣飛驒市神岡町的地下。

通往超級神岡的池之山的坑道

超級神岡探測器，從地下空間凝視太空

當時已是10月下旬，漫山遍野一片紅黃色，山中村落裡一排排的古舊民居，很有時代感。高高隆起的池之山有豐富的礦產資源，曾是開採鋅和鉛的礦山。我們從入口穿過一條大約1.7公里的筆直的黑暗坑道，到達了山的中心。在昏暗的隧道一角，四周涼氣環繞，一扇通往超精密科學世界的大門在等待著我們。

再往前走，就有一個穹頂房間。我們腳下是一個直徑39.3公尺、高41.4公尺的圓柱形的巨大水箱，嵌入在被挖空的基岩中。水箱的長度大約可以容納三尊鐮倉大佛像或一尊自由女神像。之所以在如此巨大的空洞中也不會有坍塌的危險，是因為山體的地質結構是片麻岩。

位於山頂1000米垂直下方的實驗設施入口

為了改建施工，水箱完全排空蓄水（提供：東京大學宇宙射線研究所 神岡觀測站）

水箱的內壁上佈滿了11129個直徑50公分的巨大燈泡狀的光電倍增管（光電感測器）。每一個光電倍增管的靈敏度都極高，甚至可以探測到從月球表面照射過來的手電筒的光線。光電倍增管的玻璃是由吹制玻璃的工匠精心打造成型的，表面塗有一層金屬膜，像金子一樣閃閃發光（除了維修期間，其內部被籠罩在黑暗之中，無法看到排列整齊的1萬多個金球）。

水箱內盛有約5萬噸的高純淨水（不含水分子以外物質的水），當中微子進入箱內並與水發生罕見的反應時，就會放射出圓錐形的藍白光（切連科夫輻射）。這種微弱的光線是通過安裝在箱壁周圍的光電倍增管來檢測的。

光電倍增管的玻璃表面是由工匠手工製成的

檢測到的中微子的截圖。上下的圓圈是水箱的頂部和底部，中間的長方形是安裝在水箱圓柱體上的光電倍增管的資料

2020年8月，「超級神岡」經過改造，可以將0.01%的一種名為釓（原子序數為64的元素）的物質溶于純淨水中，提高了中微子探測能力。現在可以區分出每個中微子反應的類型。

中畑教授表示：「這使我們能夠確定引起超新星爆發的恒星的方向。1987年的超新星爆發證明了中微子的產生，神岡探測到了11個，美國和俄羅斯加起來也只有24個。釓的加入並不會造成中微子探測數量的增加，但如果銀河系發生超新星爆發，因為相比大麥哲倫雲而言其距離更近，並且影響中微子探測數量是水量，擁有神岡的25倍水量的超級神岡就能探測到約1萬個隨機事件。其中有數百個保留了方向性，據此我們將能夠判斷超新星的方向。」

此外，由於靈敏度的提高，針對上述銀河系發生的超新星爆炸以外的目標，有可能以每年數粒的頻率探測到更古老的超新星爆炸中發射的 「超新星背景中微子」。

「宇宙中能發生超新星爆炸的重星有數十京（10的17次方）顆，在宇宙歷史上這種爆炸反復發生。過去發射的中微子隨著宇宙的膨脹，其波長被拉長，儘管很微弱，但仍在太空中飄蕩著。這就是超新星背景中微子。通過捕捉這些中微子，可以確定在哪個時代發生了多少次超新星爆發。」

新安裝的將釓混合到純水中的設備

監視超級神岡的監控室。目前，世界各地的研究人員都可以對其進行遠距操作

起初我還以為自己上當受騙了，不過想想還活得蠻有意思。

當筆者問中畑教授為什麼會選擇這個領域時，他毫不猶豫地回答：「如果在我的人生中只此一次的話，我覺得為這樣的人去嘗試一下也很有意思。」

我在選擇研究所的實驗室時，得知有一位雄心勃勃、受人仰慕的人叫「小柴」。當時有人說，「如果能利用神岡探測器，就可以通過質子衰變立即獲得諾貝爾獎。」我覺得這聽起來很有趣，將信將疑地進了他的實驗室。我千等萬等，但質子衰變一直沒有發生，於是我就懷疑自己是不是上當受騙了。

中畑教授說話溫文爾雅（東京大學宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究設施內）

然而，小柴教授的高明之處在於，他不斷提出了新的想法。他說：「既然如此，我們就試著捕捉中微子吧。」於是改進了這個裝置。然後，僅僅一年之後，與我們銀河系相鄰的星雲（大麥哲倫雲）發生了超新星爆發，這是世界上第一次探測到從太空到達的中微子。

這不禁讓人覺得研究團隊真的非常幸運。超新星爆發並不經常發生。在我們所在的銀河系中的頻率是每30到50年出現一次，大約每400年才能通過可見光確認一次。

另一件幸運的事是，世界上第一個從超新星爆發中獲得中微子原始資料的人是中畑教授本人，當時他還是負責資料分析的3年級博士生。

「當我發現在2月23日16:35:35（東京時間）資料中出現一個10秒的高穿透能量信號時，我的心猛地跳了一下。」

那是因為就在3分鐘前，有兩分鐘的空白時間是沒有資料的。這是由於每隔2小時有一段因調整設備而無法獲取資料的時間段。

如果爆發再早3分鐘，就會錯過這些資料了…。
當看到有資料後，他松了口氣，心裡說：「謝天謝地」

照片中心有許多點狀物排列處，是當時捕捉到超新星爆發的時間。底部的空白區域是儀器調整的時間，千鈞一髮之時正好趕上了

「然而在這緊要關頭，我卻聯繫不上小柴教授了。雖然他知道我在分析超新星爆發的資料，沒想到他去箱根泡溫泉了（笑）。估計誰也沒預料到這竟會關聯到諾貝爾獎。」

到了週一，當我向小柴教授彙報資料分析的結果時，他連笑都不笑的說：「你看看，這只是兩天的資料吧？我要你分析目前從神岡收集到的所有資料，並證明這是獨一無二的。」接受了小柴先生佈置的任務後，中畑教授在接下來的一個星期裡，通宵達旦地把幾百盤磁帶上的資料放到驅動器上全部確認了一遍，期間他還寫了一份報告論文。

這篇論文成為了世界上第一篇展示了從超新星爆炸中探測到中微子證據的論文。

回憶起自己和「神岡」、「超級神岡」一起經歷的前半生，中畑教授笑著說：「後來也在意料之外的地方取得了成果，我覺得我的人生非常有趣。」

2027年，中微子研究將躍上一個新臺階。「超級神岡」的後繼者、26萬噸級的「頂級神岡」即將完工，它將承擔起闡明基本粒子的「大統一理論」和宇宙演化史的挑戰。

「我們的挑戰還在繼續。我希望每個人都能感受到夢想和浪漫，還希望有更多年輕人能加入我們。」

中畑教授柔和的目光背後，閃耀著強大的光芒。

中畑教授等研究人員親自參與光電倍增管的安裝（提供：東京大學宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究設施）

2020年11月12日，開創中微子天文學並引領世界中微子研究的東京大學特聘教授小柴正俊先生逝世。小柴正俊先生生前做出的巨大貢獻將永遠銘刻在我們的心中。在此謹對他的逝世表示最深切的哀悼。

標題圖片：排幹水後的內部水箱的改造工程 （由東京大學宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究設施提供）

文中圖片：除注明出處的圖片外，均由nippon.com編輯部土師野幸德攝影

瀧澤美奈子 [作者簡介]

科學新聞記者。日本科學技術記者協會副會長。慶應義塾大學研究所外聘講師。御茶水女子大學研究所理學研究科物理學專業碩士畢業。著作有《150年前的科學雜誌NATURE都刊載了些什麼》（Beret出版）、《日本的深海》（講談社Bluebacks）、《深海的科學》（Beret出版）、《全球暖化後的社會》（文春新書）、《何謂天體生物學》（軟銀）等。http://www.minakotakizawa.info/