访问日本「大物理学」实验之一:超级神冈

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Nature Video

半个世纪以来,日本处在“大物理学”的前沿,追问着那些关于宇宙运行规则的基础问题。这一量级的问题需要真正大规模的尖端技术。《自然》记者Davide Castelvecchi 旅行穿越日本,在这个系列视频中探访了日本3个旗舰实验的罕见内部景象。

第一部:超级神冈

世界最大的中微子探测器

以下是视频文字记录:

“我从来没想过我会全副武装、会戴着安全帽……我只是开车进入深山,站在一个巨大的水箱上一探究竟。”利物浦大学的Lauren Anthony说。

50多年来,日本一直处于大物理学的前沿,如此宏伟的实验和目标,若非亲眼所见简直难以置信。我叫Davide Castelvecchi,是《自然》的一名物理学记者。在本系列中,我将探访日本的三项旗舰实验,深入了解日本的大物理学。

这里是神冈,位于日本岐阜县池野山脚下的一个小村庄。这个看似平平无奇的村子实则不可小觑:这里是神冈观测站控制中心的所在地。世界上最大的中微子探测器“超级神冈”就在旁边一座山的下方。

“中微子是基本粒子之一,有时被称为幽灵粒子,这意味着中微子在任何地方都以光速行进。中微子可以穿透一切事物,所以它们极难被探测到,这是中微子如此神秘的原因,”东京大学的盐泽真人介绍道。这也是为什么我们需要超级神冈探测器。探测器建在山下,专门探测这种幽灵粒子。

——我们正站在通往超级神冈探测器的隧道入口处,探测器大概在隧道2000米深处的左边。但是中微子不是唯一能穿透大气的粒子,超级神冈之所以建在山下 ,是为了使中微子不被其它粒子淹没。“只有中微子才能穿透那么厚的岩石,但是即使过滤掉噪声,科学家仍无法探测到中微子,除非它们与其它物质发生相互作用。”盐泽说。

中微子几乎可以穿透一切,但是有非常非常小的概率,它会与其它物质发生互作;为了增加这个概率,科学家们建造了一个有10层楼高的水箱,并向里面注入了5万吨纯水——水箱里的水就是中微子偶尔可能冲撞上的对象。盐泽解释说,“如果中微子与水发生互作,就会产生闪光,这种闪光可以被光感应器观察到,我们就是这样来观察中微子。”

这种光感应器被称为光电倍增管或PMT,看起来有点儿像巨型灯泡。它们极其灵敏,甚至可以捕捉到月球表面的烛光。

——这是一个光电倍增管:内部是高真空的。一旦水中发生了中微子事例,由此产生的光可能击中几十个或几百个光电倍增管。我探访的时候超级神冈探测器的水箱12年来首次被排空,以进行维护。

“我打开让你看看:这是超级神冈的水箱,你可以清楚地看到。”来自东京大学的中畑雅行说。

我没想到这么快就能看到。我很幸运:中畑雅行邀请我进去看看,但是首先我们要穿上防护服。我要穿上这件防污染服,减少我们在超级神冈水箱里留下的污染。我们将搭乘一个小型吊舱潜入水箱。

第一眼看下去,好像看到了通往另一个宇宙的入口,或者说是《神秘博士》的塔迪斯的大门——感觉太不真实了。随着吊舱的下降,感觉有1.1万只巨型橙色眼睛在盯着你。

光电倍增管并不真的是橙色的,它们只是反射了内部钠灯的颜色,钠灯用于防止感应器受损。

Anthony说,“你很难感受到水箱的真实规模,直到你到达差不多中间的位置。有一半的光电倍增管位于你的上方。身临其境让你感到既兴奋又奇怪。”

光电倍增管构成规则的几何图样,会模糊你对比例和距离的感知。站在内部看 水箱仿佛比实际更大。从水箱底部,我可以看到我们上方的空间以及下面正在进行的作业。

如此宏伟的实验工程,怎么称赞都不为过,况且付出已经得到了回报:超级神冈探测器由日本主导,成功发现了中微子振荡。中微子振荡表明,中微子必定具有不为零的轻微质量。这一发现大大超出了科学家的预期,最终赢得了诺贝尔奖。这也是出自这个强大观测站的第二个诺贝尔奖。

“中微子振荡显然是一项超越标准模型的突破,我们相信在标准模型之外还有更高的理论。中微子振荡的发现在一定程度上为探索新物理打开了窗口。”盐泽说。接下来,超级神冈的研究人员将目标锁定为观测质子衰变——此前从没有人观察到过。他们还会在水中加入金属钆,使超级神冈可以灵敏探测到来自远古超新星的杂散中微子。他们还将建造比这更大的顶级神冈探测器,其规模是超级神冈探测器的5倍。

“我们的目标是发现质子衰变,超级神冈目前还没有这方面的发现;另一个目标是发现中微子和反中微子的差异。顶级神冈探测器肩负着许多物理学使命。”盐泽说。

几十年来,神冈的科学家一直在拓展中微子研究的边界,他们所做出的发现改变了我们对宇宙的认识。下一集,我们将回到池野山脚下,去看一个非常不同的实验 KAGRA(神冈引力波探测器):它是日本版的LIGO 日本自己的引力波探测器。

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