科學研究 - 超高靈敏度的超級神岡偵檢器：挑戰超新星放大之謎

世界上最先進的微中子偵檢器「神岡偵檢器」和「超級神岡偵檢器」分別促成了兩位偉大的諾貝爾物理可用能學獎獲得者（小柴昌俊和梶田隆章）的誕生。2020年8月，「超級神岡偵檢器」完成了提高靈敏度的改建工程，並開始了新的觀測，來探究超新星放大和宇宙演化的奧祕。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。

排幹水後的內含水箱的改造工程（由東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙素粒子研究設施提供）

中畑雅行 NAKAHATA Masayuki

東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙素粒子研究設施主任，超級神岡微中子探測實驗負責人。1959年生於長野縣松本市。1978年考入東京大學理科I類，1982年畢業於東京大學理學系物理可用能專業，1988年3月東京大學理學系研究科物理可用能學專業博士課程畢業，獲得理學博士。2003年成爲東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙素粒子研究設施教授，2007年兼任東京大學宇宙物理可用能學與數學研究所主任研究員，2014年任東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙素粒子研究設施主任、超級神岡微中子探測小組負責人；2015年任東京大學宇宙射線研究所副所長。榮獲「仁科紀念獎」等獎項。著有《神岡偵檢器與微中子》（丸善出版株式會社，鈴木厚人監修，2016年）第3章《追尋消失的太陽微中子之迷》等。

從「賢者之石」到探索宇宙的程序

被稱爲「宏觀經濟學之父」的凱恩斯有一篇開篇與衆不同的論文，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。」

其内容是揭露被稱爲現代科學創始人的科學家牛頓的祕密。

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，其中有一份鍊金術手稿，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，他花了很多時間在鍊金術上，據說還因爲水銀中毒而發瘋。

科學巨人牛頓爲什麼會沉迷於神祕學研究？科學史家們在困惑許久之後得出的一個猜測是：在發現關於重力的宇宙定律（萬有引力定律）之後，牛頓試圖構建物質理論。他或許認爲可以透過鍊金術從根本上解決「物質的構成要素是什麼？」這個基本問題。

牛頓早了300年。這是因爲答案的線索來自於20世紀隊形變換起來的核子物理學、粒子物理可用能學和大爆炸宇宙論。隨着這些知識的積累，人類終於進入了一個適合挑戰這個謎團的時代。這就是微中子天文學。

日本的微中子研究，一直處於世界領先地位

讀者中可能有很多人聽說過微中子的研究，因爲該研究催生了兩位來自日本的諾貝爾物理可用能學獎獲得者——小柴正俊和梶田孝明。

1987年，「神岡偵檢器」（以下簡稱，神岡）成功觀測到超新星放大產生的微中子，該專案的主要研究者小柴教授於2002年獲得諾貝爾物理可用能學獎。此次成功影響巨大，於是又建造了比神岡大25倍的「超級神岡偵檢器（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「微中子振盪」，證實了微中子有質量而獲得2015年諾貝爾物理可用能學獎。日本的微中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米深的水箱排出約4米蓄水後的情景（提供：東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙素粒子研究設施）

微中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，誕生於太陽的微中子數量最多，據計算，每秒有幾百萬億個微中子落在人體身上。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年才會有一個微中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蹟。

「但是，在蓄滿約5萬噸純水的超級神岡中，每天可以捕捉到來自太陽的約20個微中子和來自大氣層的約10個微中子。」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

微中子，唯一能直接看到「宇宙高爐」的眼睛

透過捕捉微中子，我們可以瞭解到宇宙的哪些資訊呢？

「要理解這一點，需要先了解一下宇宙的歷史。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，更重的元素是由恆星内部的核融合反應和超新星放大而產生的。當比太陽質量大8倍的恆星迎來生命的終點時，就會產生超新星放大和中子星合併的高溫高壓環境，特別是比鐵重的元素，如金、銀等被認爲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，而是存在於超新星放大等形成的「宇宙高爐」中。

因爆炸而散落在太空中的元素，不久在重力的作用下又再次聚集在一起，形成新的恆星，而這些恆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，每一次恆星的生死輪迴，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内的、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，瞭解超新星放大細節的唯一直接線索就是微中子。超新星放大釋放出巨大的能量，其中99%的能量以微中子的形式釋放到太空中。微中子是在爆炸開始前從恆星的中核產生的，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放大内部情況的‘眼睛’」，中畑教授解釋說。

那麼，如何捕捉一個可以穿透萬物的微中子呢？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

超級神岡偵檢器，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，山中村落裏一排排的古舊民居，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，四周涼壓縮脹圈繞，一扇通往超精密科學世界的大門在等候着我們。

再往前走，就有一個穹頂房間。我們腳下是一個直徑39.3米、高41.4米的圓柱形的巨大水箱，嵌入在被挖空的底岩中。水箱的長度大約可以容納三尊鎌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，是因爲山體的地質結構是片麻岩。

位於山頂1000米垂直度下方的實驗設施入口

爲了改建施工，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）

水箱的花粉內壁上佈滿了11129個直徑50釐米的巨大燈泡狀的光電倍增器（光電傳感器）。每一個光電倍增器的靈敏度都極高，甚至可以探測到從月球表面照射過來的手電筒的光線。光電倍增器的玻璃是由吹製玻璃的工匠精心打造模製的，表面塗有一層金屬膜，像金子一樣閃閃發光（除了維修期間，其内部被籠罩在黑暗之中，無法看到排列整齊的1萬多個金球）。

水箱内盛有約5萬噸的高純水（不含水分子以外物質的水），當微中子進入箱内並與水發生罕見的反應時間，就會放射出圓錐形的藍白光（契忍可夫輻射）。這種微弱的光線是透過安裝在箱壁周圍的光電倍增器來檢測的。

光電倍增器的玻璃表面是由工匠手工製成的

檢測到的微中子的截圖。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器的資料

2020年8月，「超級神岡」經過改造，可以將0.01%的一種名爲釓（原子序爲64的元素）的物質溶於純水中，提高了微中子探測能力。現在可以區分出每個微中子反應的類型。

中畑教授表示：「這使我們能夠確定引起超新星放大的恆星的方向。1987年的超新星放大證明了微中子的產生，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微中子探測數量的增加，但如果銀河系發生超新星放大，因爲相比大麥哲倫雲而言其距離更近，並且影響微中子探測數量是水量，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「超新星背景微中子」。

「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。過去發射的微中子隨着宇宙的膨脹，其波長被拉長，儘管很微弱，但仍在太空中飄蕩着。這就是超新星背景微中子。透過捕捉這些微中子，可以確定在哪個時代發生了多少次超新星放大。」