科学研究 - 超高灵敏度的超级神冈探测器：挑战超新星爆发之谜

世界上最先进的中微子探测器“神冈探测器”和“超级神冈探测器” 分别促成了两位伟大的诺贝尔物理学奖获得者（小柴昌俊和梶田隆章）的诞生。2020年8月，“超级神冈探测器”完成了提高灵敏度的改建工程，并开始了新的观测，来探究超新星爆发和宇宙演化的奥秘。此次，我们前往座落于飞騨（Hida City）市神冈町的该设施，采访了该实验首席研究员、东京大学的中畑雅行教授，来一起思考一下人类目前致力于这项研究的意义。

排干水后的内部水箱的改造工程（由东京大学宇宙线研究所神冈宇宙素粒子研究设施提供）

中畑雅行 NAKAHATA Masayuki

东京大学宇宙线研究所神冈宇宙素粒子研究设施主任，超级神冈中微子探测实验负责人。1959年生于长野县松本市。1978年考入东京大学理科I类，1982年毕业于东京大学理学系物理专业，1988年3月东京大学理学系研究科物理学专业博士课程毕业，获得理学博士。2003年成为东京大学宇宙线研究所神冈宇宙素粒子研究设施教授，2007年兼任东京大学宇宙物理学与数学研究所主任研究员，2014年任东京大学宇宙线研究所神冈宇宙素粒子研究设施主任、超级神冈中微子探测小组负责人；2015年任东京大学宇宙线研究所副所长。荣获 “仁科纪念奖”等奖项。著有《神冈探测器与中微子》（丸善出版株式会社，铃木厚人监修，2016年）第3章《追寻消失的太阳中微子之迷》等。

从“贤者之石”到探索宇宙的过程

被称为“宏观经济学之父”的凯恩斯有一篇开篇与众不同的论文，第一句话是这样的：

“在讨论他的真实身份时，我必须承认有些犹豫。”

其内容是揭露被称为现代科学创始人的科学家牛顿的秘密。

这要追朔到稍早的1936年，一个装有牛顿手稿的盒子被其后人送到了苏富比拍卖会上。凯恩斯几乎拍得了半数遗稿，其中有一份炼金术手稿，上面记载有“绿狮”、“愚妓”等密码。凯恩斯形容牛顿是“一只脚踏在中世纪，另一只脚踏入了现代科学之途”。

在17世纪，牛顿一直在寻找可以将铅等低价金属变成金子、并使人类永生的“贤人之石”。晚年时，他花了很多时间在炼金术上，据说还因为汞中毒而发疯。

科学巨人牛顿为什么会沉迷于神秘学研究？科学史家们在困惑许久之后得出的一个猜测是：在发现关于引力的宇宙定律（万有引力定律）之后，牛顿试图构建物质理论。他或许认为可以通过炼金术从根本上解决“物质的构成要素是什么？”这个基本问题。

牛顿早了300年。这是因为答案的线索来自于20世纪发展起来的核物理学、粒子物理学和大爆炸宇宙论。随着这些知识的积累，人类终于进入了一个适合挑战这个谜团的时代。这就是中微子天文学。

日本的中微子研究，一直处于世界领先地位

读者中可能有很多人听说过中微子的研究，因为该研究催生了两位来自日本的诺贝尔物理学奖获得者——小柴正俊和梶田孝明。

1987年，“神冈探测器”（以下简称，神冈）成功观测到超新星爆发产生的中微子，该项目的主要研究者小柴教授于2002年获得诺贝尔物理学奖。此次成功影响巨大，于是又建造了比神冈大25倍的“超级神冈探测器（Super-K）”（以下简称，超级神冈），并于1996年开始投入观测使用。随后，梶田教授因验证了“中微子振荡”，证实了中微子有质量而获得2015年诺贝尔物理学奖。日本的中微子研究取得了令人瞩目的成就。

超级神冈的水箱，2018年改建时，蓄水41米深的水箱排出约4米蓄水后的情景（提供：东京大学宇宙线研究所神冈宇宙素粒子研究设施）

中微子是构成宇宙的基本粒子中的一种。

它最大的特点是“宇宙中最难以捉摸的粒子”。

例如，在地球上，诞生于太阳的中微子数量最多，据计算，每秒有几百万亿个中微子落在人体身上。然而，其中99.999999999999999999999％（共23个9）都会若无其事地穿身而过，大约每50至100年才会有一个中微子与构成人体的原子核和电子相撞。能出现这种反应本身就是一个奇迹。

“但是，在蓄满约5万吨纯净水的超级神冈中，每天可以捕捉到来自太阳的约20个中微子和来自大气层的约10个中微子。”超级神冈首席研究员、东京大学宇宙射线研究所神冈宇宙基本粒子研究设施主任中畑雅行解释说。

中畑教授带我们参观了超级神冈的设施，巨大水箱就在下一层

中微子，唯一能直接看到“宇宙高炉”的眼睛

通过捕捉中微子，我们可以了解到宇宙的哪些信息呢？

“要理解这一点，需要先了解一下宇宙的历史。宇宙是由138亿年前的大爆炸产生的。大爆炸中产生的元素主要是氢和氦，更重的元素是由恒星内部的核聚变反应和超新星爆发而产生的。当比太阳质量大8倍的恒星迎来生命的终点时，就会产生超新星爆发和中子星合并的高温高压环境，特别是比铁重的元素，如金、银等被认为是在这种环境中一次性合成的。”

换句话说，产生黄金的“贤人之石”并不存在于地球上，而是存在于超新星爆发等形成的“宇宙高炉”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，而这些恒星在生命结束时又发生爆炸......换句话说，如果把轻的元素比作高音乐器，重的元素比作低音乐器，每一次恒星的生死轮回，就会加入更重的元素，宇宙的音色也会变得更加丰富。

太阳系和地球，以及包括必需的微量元素在内的、由多种元素组成的我们自身，也是这场音乐剧的受益者。

那么，这一切是在宇宙的哪个时代发生的，这些元素是如何产生的呢？

“最重要的是，了解超新星爆发细节的唯一直接线索就是中微子。超新星爆发释放出巨大的能量，其中99%的能量以中微子的形式释放到太空中。中微子是在爆炸开始前从恒星的中核产生的，它们不与周围的物质发生反应，只是穿透过去。这是唯一能直接看到超新星爆发内部情况的‘眼睛’”，中畑教授解释说。

那么，如何捕捉一个可以穿透万物的中微子呢？承担这一重任的探测装置就隐身在岐阜县飞驒市神冈町的地下。

通往超级神冈的池之山的坑道

超级神冈探测器，从地下空间凝视太空

当时已是10月下旬，漫山遍野一片红黄色，山中村落里一排排的古旧民居，很有时代感。高高隆起的池之山有丰富的矿产资源，曾是开采锌和铅的矿山。我们从入口穿过一条大约1.7公里的笔直的黑暗坑道，到达了山的中心。在昏暗的隧道一角，四周凉气环绕，一扇通往超精密科学世界的大门在等待着我们。

再往前走，就有一个穹顶房间。我们脚下是一个直径39.3米、高41.4米的圆柱形的巨大水箱，嵌入在被挖空的基岩中。水箱的长度大约可以容纳三尊镰仓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会有坍塌的危险，是因为山体的地质结构是片麻岩。

位于山顶1000米垂直下方的实验设施入口

为了改建施工，水箱完全排空蓄水（提供：东京大学宇宙射线研究所神冈观测站）

水箱的内壁上布满了11129个直径50厘米的巨大灯泡状的光电倍增管（光电传感器）。每一个光电倍增管的灵敏度都极高，甚至可以探测到从月球表面照射过来的手电筒的光线。光电倍增管的玻璃是由吹制玻璃的工匠精心打造成型的，表面涂有一层金属膜，像金子一样闪闪发光（除了维修期间，其内部被笼罩在黑暗之中，无法看到排列整齐的1万多个金球）。

水箱内盛有约5万吨的高纯净水（不含水分子以外物质的水），当中微子进入箱内并与水发生罕见的反应时，就会放射出圆锥形的蓝白光（切连科夫辐射）。这种微弱的光线是通过安装在箱壁周围的光电倍增管来检测的。

光电倍增管的玻璃表面是由工匠手工制成的

检测到的中微子的截图。上下的圆圈是水箱的顶部和底部，中间的长方形是安装在水箱圆柱体上的光电倍增管的数据

2020年8月，“超级神冈”经过改造，可以将0.01%的一种名为钆（原子序数为64的元素）的物质溶于纯净水中，提高了中微子探测能力。现在可以区分出每个中微子反应的类型。

中畑教授表示：“这使我们能够确定引起超新星爆发的恒星的方向。1987年的超新星爆发证明了中微子的产生，神冈探测到了11个，美国和俄罗斯加起来也只有24个。钆的加入并不会造成中微子探测数量的增加，但如果银河系发生超新星爆发，因为相比大麦哲伦云而言其距离更近，并且影响中微子探测数量是水量，拥有神冈的25倍水量的超级神冈就能探测到约1万个随机事件。其中有数百个保留了方向性，据此我们将能够判断超新星的方向。”

此外，由于灵敏度的提高，针对上述银河系发生的超新星爆炸以外的目标，有可能以每年数粒的频率探测到更古老的超新星爆炸中发射的 “超新星背景中微子”。

“宇宙中能发生超新星爆炸的重星有数十京（10的17次方）颗，在宇宙历史上这种爆炸反复发生。过去发射的中微子随着宇宙的膨胀，其波长被拉长，尽管很微弱，但仍在太空中飘荡着。这就是超新星背景中微子。通过捕捉这些中微子，可以确定在哪个时代发生了多少次超新星爆发。”