客觀日本

「忍者實驗」,探尋微中子之謎

2021年03月22日 化學材料

在當今數位相機全盛時代,膠片攝影往往被視爲過去的技術,但在基本粒子研究的最前緣,膠片仍佔有一席之地。利用一種名爲「原子核幹板」的膠片,能以千分之一毫米的高解析度拍攝微中子與原子核碰撞後發生的反應。膠片有望成爲揭開微中子謎團的新突破口。

日本名古屋大學的福田努特任助教興奮地表示:「全球首次捕捉到了微中子與構成水分子的原子核碰撞後低能質子飛散的情景。」福田特任助教是在茨城縣東海村的高強度質子加速器設施「J-PARC」中實施的「NINJA實驗」的負責人。NINJIA爲日文「忍者」的發音。

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J-PARC裏的NINJA實驗裝置(圖片由名古屋大學的福田努特任助教提供)

日本在微中子研究設施——神岡偵檢器和超級神岡偵檢器内實施的實驗成果獲得了兩項諾貝爾物理可用能學獎。兩座設施都是巨大的水罐,利用安裝在水罐花粉內壁的感測器光電倍增器檢測飛來的微中子與水分子的原子核碰撞向後飛行散的電子及μ子在水中行程時發出的微光。

不過,這種方法難以觀測到應該會與這些粒子同時飛散出來的質子。福田特任助教表示,NINJA實驗可以進一步加深對水罐中的微中子與原子核的反應的理解。

目前正利用超級神岡偵檢器實施微中子實驗,探索宇宙中充滿物質但幾乎沒有反物質的終極因數。福田特任助教等人的實驗成果將爲數據分析做出巨大貢獻。微中子與原子核之間可能存在未知的反應,也可能存在新型微中子,實驗結果還將爲探索這些謎團提供很大的幫助。

記錄從原子核中飛散出來的質子軌跡的,就是名爲原子核幹板的膠片。光電倍增器等普及之前,原子核幹板作爲物理可用能實驗的偵檢器在全球得到了廣泛應用。不過,目前只有以福田特任助教所在的名古屋大學研究室「F研」爲中心的研究團隊擁有這項技術。

原子核幹板能以高解析度記錄粒子的軌跡。即便是在數位技術發達的今天,其優勢地位也不可動搖,只是利用顯微鏡擷取軌跡比較費力。F研從1970年代初期開始在丹羽公雄(現爲名古屋大學名譽教授)的主導下,着手推進這項一直依賴人力的工序的自動化。之後用半個世紀的時間逐漸完善了超高速擷取軌跡的技術。

F研利用該技術推進了廣泛領域的研究,除了以NINJA實驗爲代表的微中子實驗外,還包括探索宇宙中存在的未知暗物質、觀測γ射線天體、對金字塔、反應爐和火山進行透視,以及開發利用中介子的顯微鏡等。

日文:中島林彥、《日經產業新聞》、2021年3月10日
中文:JST客觀日本編輯部