深埋的光明：薩德伯里天文台和超級神岡探測器
來自作者的十五言同名文章：深埋的光明：薩德伯里天文台和超級神岡探測器
餐前披薩
先講一個經典的冷笑話
話說，三個中微子走進酒吧，
酒保問
「三位都來點雞尾酒？」
第一個中微子說「是的」
第二個繼續說「我也不知道」
最後一個中微子最後說「我不知道」
酒保默默插好光纖
「你們三再特么說一遍！」
是不是很冷。
如果你覺得沒有一股寒氣上身，
那麼請掃描文章末尾二維碼
順路好好看看這篇不算精彩的文章
2015年諾貝爾物理學獎：中微子振蕩
日本物理學家梶田隆章（Takaaki Kajita ）與加拿大的阿瑟·麥克唐納（ Arthur B.Mcdonald ） 獲獎，以表彰他們發現中微子振蕩現象，該發現表明中微子擁有非0的靜質量。
梶田隆章以及亞瑟·麥克唐納(Arthur B. McDonald)分別領導了兩個大型研究團隊：超級神岡探測器以及薩德伯里微中子觀測站，他們發現了中微子在飛行過程中的轉變現象。
在知道什麼是中微子振蕩之前
首先先搞清楚中微子是個啥。
中微子簡歷
這是一個沒有上過中學的朋友
質子、中子和電子也許是大家最熟悉的基本粒子了
這都是中學時代時代的老朋友了
但中微子這位新朋友卻多少有點陌生
顧名思義
所謂「中微子」（義大利語：Neutrino）
從字面來看意義為「微小的電中性粒子」（所以也可以翻譯為「微中子」）
泡利：他住在我家
1930年。天才的奧地利物理學家物理學家沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli)吐槽，
由於β衰變過程中表現出能量不守恆現象（事實上動量和自旋角動量也不守恆）
他已經感到絕望，
PS：其實能讓泡利絕望很不容易。大家熟悉泡利是因為中學的「泡利不相容原理」。泡利的智商一向碾壓全人類，泡利有學生問他自己的結果有沒有算錯，泡利回答「這連錯誤都算不上」。對於愛因斯坦的演講，泡利評價小愛「不完全是愚蠢的」。
對於泡利來說，只要不玩實驗（請bing「泡利效應」），
一切都不是問題
於是，聰明的泡利反覆思考後，提出了一個有趣的設想，
如果不想推翻三大守恆
只有一種可能
無論看似多扯淡，都有其必然性
那就是
還有一種粒子，一種新粒子
1930年12月，泡利以「親愛的(從事)放射性(研究的)女士們和先生們」開頭，致信給他的物理學同行。
在這封信中，泡利提出，β衰變過程中的一部分能量可能是被一種具有電中性，弱相互作用且質量極小的粒子所帶走了，但甚至是泡利本人也幾乎不相信這樣一種粒子是真實存在的。
於是泡利給它取名「中子」
1932年，詹姆斯·查德威克發現了一種大質量的中性粒子
於是也命名為「中子」
話說中國有29萬張偉，28萬王偉，
名字這東西，獨一無二還是相當困難的
就說我這名字
我娘說我屬老鼠，希望有人站在我旁邊時，我能有一個地上的洞口逃跑，所以絞盡腦汁，取了一個「倍」字（人，立，口）
本以為該名字冠絕古今，卻還是有五個同名的同胞。
想獨一無二，嘿嘿，還是要花點力氣的
但科學的東西
那可不能含糊
竟然重名了，總要解決嘛
查德威克發現了一點不對勁
泡利口裡的「中子」還停留在紙上
而且
據說泡利還曾經說過這樣的話：
「我做了一件糟糕的事情，我提出了一種不可能被探測到的粒子。」
這下查德威克怒了
「尼瑪，你還沒證實，就想要正式命名？」
就像孩子還沒生就去派出所上戶口，
想都不敢想，想都不敢想——梁冬
雖然上戶口這件事無疾而終。
但不久之後的1932年7月，
義大利物理學家費米(Enrico Fermi，1938年諾貝爾物理學獎獲得者)提出了一種優雅的理論，
能夠將泡利所提出的這種質量極小且具有電中性的粒子也包含在內。
費米的一個朋友愛德華多·阿馬爾迪（Edoardo Amaldi）和他開玩笑時創造了「中微子」這個名字
於是這種粒子被稱作「中微子」。
沒有人會想到，這種小小的粒子將引發粒子物理學乃至宇宙學的革命。
然而在當時，這都還是伏筆
物理學家費米，數學家費紙
費米在1934年的一篇論文中寫下了一個有趣的衰變方程
一個中子衰變為一個質子、一個電子和一個極輕的中性粒子（現在按照他的「味」，稱為反電子中微子）
然而
《Nature》雜誌拒載
理由是
「與現實相差太遠」
《Nature》讓費米太失望
話說到這個份兒上
費米絕望了，從此改行
走向了實驗物理
然後
1942年12月2日，費米領導小組在芝加哥大學Stagg Field 建立人類第一台可控核反應堆（芝加哥一號堆，Chicago Pile-1），人類邁入原子能時代。
金子，到哪裡都是發光的。
大發現時代
王淦昌的遺憾
就在改行做實驗物理的費米走到人生巔峰的同一年，中華民國第一物理學家王淦昌（該排名純屬個人意見 ）首次提出利用電子俘獲觀測中微子。
遺憾的是，和後來在杜布納研究所發現反西格瑪負超子一樣，終究因為多種原因，沒有得到應有的榮譽
畢生榮耀，奈何來遲
1956年7月20日《Science》雜誌發表了
克萊德·科溫、弗雷德里克·萊茵斯小組對於中微子的觀測結果
39年後的1995年，二人榮獲諾貝爾物理學獎
二人的實驗被稱為「科溫-萊茵斯過程」（Cowan-Reines neutrino experiment）
他們從核反應堆中產生的反中微子（反電子中微子）與質子進行反應，產生中子和正電子，
而正電子會和電子立即湮滅，發射出光子（伽馬子）
再利用一個原子核俘獲中子來證明這個反應
1962年，利昂·萊德曼、梅爾文·施瓦茨和傑克·施泰因貝格爾發現除了電子中微子外還有一類中微子，即繆中微子。
26年後，三人榮獲諾貝爾物理學獎。
1995年，斯坦福線性加速器發現陶子，陶中微子也順理成章。
2000年費米實驗室證實了陶中微子的存在。
痞子物理學家
小柴君的糾結
小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）1926年9月19日出生於日本愛知縣（處女男一枚）。
東大僅有的5位特別榮譽教授之一
聽起來很厲害的樣子
事實上，另外4位特別榮譽教授里戶冢洋二和梶田隆章都是小柴君的學生。
小柴君還有這些記錄
1987年，仁科芳雄獎
1987年，朝日獎1997年，洪堡獎1997年，日本文化勳章1999年，朝日獎（梅開二度）2000年，沃爾夫物理學獎2002年，潘諾夫斯基粒子物理學獎 2002年，諾貝爾物理學獎
2003年，勛一等旭日大綬章
2003年，富蘭克林獎章
目瞪口等，眾學渣速速膜拜
得得得
小柴君說了「都別膜拜了，我也是學渣」
而且
還是網癮少年
話說小柴君90歲高齡，還酷愛紅極一時的遊戲《最終幻想》
「為了新遊戲，前進！」
「活到老，玩到老」是小柴君的人生格言
再過幾年，小柴君還打算申請「世界最高齡電玩迷」的吉尼斯世界紀錄
飛起來吃人嗦！
小柴君出生於軍人世家（一個未經考證的傳言是他的老爸參加過侵華戰爭）
所以小柴君從小就堅信拳頭的力量
無奈的是小柴君還酷愛音樂（小柴君特別喜歡莫扎特）
也不知道扁過人的手彈鋼琴是不是有點褻瀆呢
小柴君決定長大後成為軍人或者鋼琴家
然而
12歲時，小柴昌俊罹患小兒麻痹症，導致右手殘疾
恩，夢想破滅
這乍一看，
一朵未來的花朵還沒有開放就已經凋謝
然而
小柴君是一個堅強的人
他覺得必須要證實自己的強大
於是
他加入了黑社會，開始「打」遍天下
透風的牆
沒過幾年，混歸混，高中還是要讀的
小柴在東京舊制第一高校，
成績嘛
不算很差
而是
「極差」（師評）
小柴君自然死豬不怕開水燙
差就差，無所謂了，我是要做海賊王的男人，要成績幹嗎。
某日洗澡，澡堂隔音效果太差
於是小柴無意中聽到隔壁幾個教師在討論蘿蔔價格後討論到了自己
「小柴這種人，根本沒有偏科，每一門都很差」
「哈哈，這種人去東大估計也只能讀些印度哲學」
時任第一高校首席小痞子的小柴君沉默了
他找到了室友朽津耕三（現任東大化學教授）
開始惡補物理
結局不錯，最終考入了東大物理科
朝永振一郎的慧眼
到了東大，，學習風氣不錯，連打架鬧事都找不到人
那還是學習吧
按說，這師資力量相當不錯
小柴的老師就是1965年諾貝爾物理學獎得主朝永振一郎
但是（小柴君身上這個詞會經常用）
小柴的數學和物理卻是一團糟，
不僅蟬聯班級倒一
還連續刷新東大最差成績記錄
總長氣得直要跳樓
「東大的榮譽都被這熊孩子毀了」
校方打算勸退這個小混混
但是
關鍵時刻，朝永君出來救場子。
「我給你一份推薦信，你去美國看看」
就這樣，小柴君去了美國。
天冷勿動，小心滑雪！
小柴君去了美國，新的導師不明就裡，既然是諾獎得主朝永推薦，自然不賴。
於是安排小柴參與了一個頂級國際項目充當次席科學家
然後高興得出去滑雪
開開心心出門，卻沒有平平安安回家
準確說，再也沒能回來
雪崩。。。。而亡。。。。
於是小柴君直接升任負責人
但是（。。。。）
小柴君英文極差，根本搞不清美國同事到底想表達什麼，成天連蒙帶猜加比劃
這日子沒法過了
回日本
找到了關鍵
有的事情就是需要看到別人看不到的地方
小柴就是有這種天賦
在一次歐洲的探討會之後
小柴有了一個輝煌的目標，
做質子衰變觀測（其實至今也沒有人做出來）
切倫科夫的靈感
廣大軍迷同志對音爆現象太熟悉了，不是毛熊Mig-25/31（狐蝠/獵狐犬）速度逆天，就是美帝SR-71「黑鳥」超神。
音爆那都是開胃小菜
所謂音爆，簡單來說就是物體達到並超過1馬赫（一倍音速）後，追上並撞擊自己發出的音波。
1934年，在導師瓦維洛夫的指導下，列別捷夫物理研究所的切倫科夫（Cherenkov,Pavel Alekseyevich）研究了放射線穿過流體，
卻觀察到了一種淡藍色的輝光。
其實在在切侖科夫之前，也有人觀察到當輻射穿入液體時放射出微弱的淺藍色的輝光，但都簡單歸結為熒光效應。
切侖科夫認為，他觀察到的並不是熒光。
通過觀察穿入經過了兩次蒸餾的水中的輻射，他排除了微小雜質產生熒光的可能性。
當時條件有限，但切倫科夫卻不想放過這一切，
但他唯一有效的工具就是眼睛。
為了提高眼睛的敏感度，切侖科夫在每次實驗之前都要在完全漆黑的環境中呆上一個小時或者更久。
他發現輻射沿入射方向被極化，正是入射的輻射所產生的快速次級電子才是出現可見輻射的根本原因。通過採用發自鐳放射源的電子單獨照射液體，他驗證了這一點。切侖科夫在1934-1937年間發表的論文給出了這種新輻射的一般性質。這就是切倫科夫輻射。
1935年，蘇聯物理學家伊戈爾·塔姆（I. Y. Tamm)、伊利亞·弗蘭克（I. M. Frank）用光爆來解釋了該現象。
由於狹義相對論，在真空中光速c不可逾越
但光在介質中速度會打一個折扣（c除以折射率後得到在介質中的速度）
如果有介質甲，折射率為1.33，那麼介質中光速會下降為0.75c，這時候，如果某帶電粒子（可以釋放電磁波）速度極高（只要不超過c，即使達到0.99c也是合理的），顯然會撞擊自己產生的電磁場。產生類似音爆的光爆效果。
也就是所謂切倫科夫效應。
1958年，帕維爾·阿列克謝耶維奇·切倫科夫（Cherenkov,Pavel Alekseyevich）、伊戈爾·塔姆（I. Y. Tamm)、伊利亞·弗蘭克（I. M. Frank）共同分享諾貝爾物理學獎金。
帕維爾·阿列克謝耶維奇·切倫科夫，這個農民的兒子，一共三次榮獲蘇聯國家獎金，兩枚列寧勳章，兩枚紅旗勳章，還獲得其他各種紀念品。1964年至1970年，切倫科夫任蘇聯科學院通訊院士，1970年以後升為蘇聯科學院院士。
這種類比真的太刺激太爽了
但切倫科夫效應的應用還不止於此。
天才的想法
小柴君意識到
如果質子發生衰變，生成的（至少一部分）產物一定會帶有電性
這時候還是有可能觀察到生成產物的切倫科夫輻射的
如果用一個水池，
裝上純凈的水（和切倫科夫的目的一致，排除熒光可能性）
然後如果還有這麼一種光電儀器
能夠把產生的極度微弱藍色切倫科夫輻射採集記錄下來
轉化為電信號
就perfect了
恩
有市場需求就有供應商
日本浜松光電株式會社（Miyamoto，Iwata，Shizuoka）向小柴團隊提供了高效的光電倍增管
但是（又出現了）
宇宙中非中性高能粒子數目眾多，以多種射線向地球輻射
儘管大氣層過濾了絕大多數
但由於切倫科夫輝光非常微弱
如果不處理掉其他輻射
即使有質子衰變並出現切倫科夫效應，也會被背景噪音淹沒
於是
小柴選擇了日本岐阜縣的一個1000米深的廢棄砷礦，
這麼深的好處就是頭頂1000米的土壤和岩石已經把宇宙射線過濾
確保此處成為一個「乾淨」的實驗室
PS：按照西方標準，這種生產砒霜的地方是無論如何不能搞科研的，但無奈日本自然條件有限，富士山就那麼高，其他地方更加只能勉強。
建設了這台探測器最初名為神岡核子衰變實驗（KamiokaNDE）的設備，
1982年開始建造，1983年完工
到了1985年，探測器開始進行擴建，稱為神岡核子衰變實驗II期（KamiokaNDE-II，我喜歡叫它神岡探測器二世）
彩票
此處為標題黨
1985年到1986年，神岡探測器二世都一直被雜訊困擾，
一直到1987年的春天，水凈化系統才終於把這些討厭本底清除掉，世界終於安靜了下來。
升級後的神岡實驗終於開始了它的試運行，進入採集數據環節，
小柴君似乎看到了光明的未來
但是（呃呃）
1987年2月23日，超新星1987A（1987指1987年，A指當年觀測到的第一個超新星現象）爆發。
這是自1604以後，三百多年以來以來觀測到的最為明亮的一顆超新星。
處於試運行狀態的神岡實驗最終意外記錄下了11個中微子事例，
各位讀者
不要吐槽太少
平均而言，超新星爆發會產生約10^57個（10億億億億億億億個）中微子，聽起來很驚人
1987A距離地球16萬光年，視星等2.9等，即便如此也只記錄到聊聊十數個事例，
把1987A為中心，16萬光年為半徑的球面算一算，
就知道這個數字已經很不容易了。
這樣的觀測機會，平均兩個世紀才有幸碰上一次。
「幽靈粒子」
其實1987A出現在地球的南半球方向
所以小柴團隊觀測到的11個案例都是打穿地球的中微子
是不是目瞪口呆
其實
中微子不僅是中性粒子，而且也是輕子
因此並不參與電磁作用（非中性粒子）和強相互作用（強子）
而只參與弱相互作用
弱相互作用作用距離非常短，
而引力相互作用在亞原子狀態下又會非常微弱
所以中微子可以肆無忌憚的穿過一切
包括你和我，還有地球
副產品：諾貝爾獎和遊戲幣
此時的小柴君正準備退休
這就是命啊
這次幸運的測量，這一點微小的流量，卻驗證了關於超新星模型當中中微子帶走絕大部分能量的結論。
2002年小柴榮獲諾貝爾物理學獎
從某種意義上說，瑞典皇家科學院為這個電游迷沖了二十年遊戲幣。
哦，對了，其實到今天也沒有探測到質子衰變
消失的中微子
中微子是遙控器
由於中微子的不受束縛，雖然和幽靈一樣讓人頭疼，
但馬克思同志告訴我們
事物具有兩面性
所以
也要去發現他的積極意義
和「超新星爆發預警機制」一樣，
恆星中微子也會比光子提前到達地球（恆星內部光子需要數百萬年才能到達恆星表面）
和超新星不同的是，恆星中微子並不是那麼「可遇而不可求」
所以中微子天文學也順理成章成為了天體物理學的重要組成部分。
如果說恆星是宇宙學的電視
那麼黑洞和夸克星只能算是收音機（引力波探測方式強調的是「聽」）
中微子自然而然是遙控器
遙控器丟了
1968年，美國天體物理學家雷蒙德·戴維斯在美國南達科他州的霍姆斯特克（Homestake）的地下金礦中建造了大型中微子探測器，他的小組發現來自太陽的中微子只有標準太陽模型預測數量的三分之一到二分之一。
簡單來說就是恆星電視遙控器的三節電池少了兩節。
為了確認這另外兩節電池去了哪裡，
1985年，斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫（Stanislav Mikheyev）和阿列克謝·斯米爾諾夫（Alexei Smirnov）、林肯·沃爾芬斯坦（licon·Wolfenstein）在1978年的工作基礎上提出中微子振蕩會隨著其在物質中傳播過程中發生變化
這也就是著名的米赫耶夫-斯米爾諾夫-沃爾芬斯坦效應（Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein effect）（簡稱MSW效應）
和BKL（別林斯基-哈扎爾尼科夫-利夫希茨）理論、TOV（托爾曼-奧本海默-沃爾科夫）理論以及BCS（巴丁-庫珀-施里弗）理論這些三人效應一樣，MSW效應也非常重要
或者說非常重要
但在當時，一切僅僅是猜測而已。
我的老師是小柴君
29歲的優等生
梶田隆章，1959年3月9日出生於日本埼玉縣，天體物理學家。
1988年，年僅29的梶田隆章教授通過計算，發現了「大氣中微子反常」
梶田隆章教授和戶冢洋二教授領導了升級後的超級神岡探測器（Super-KamiokaNDE），
1988年，梶田-戶冢團隊在試驗中證明了中微子振蕩。
小柴君評價
「在繼承我的衣缽的弟子中，有2人足以獲得諾貝爾獎」
不用說，戶冢洋二和梶田隆章
然而
2008年7月10日，戶冢洋二因為大腸癌去世
「若戶冢多活18個月，必獲諾貝爾獎」——《文藝春秋》2008年9月號，小柴昌俊
天妒英才
「雖然結果上是我獲得了諾貝爾獎……我認為我的老師的功勞更為重要」——梶田隆章，2016年10月6日，東京大學
皇后的男人
會做飯的暖男
亞瑟·麥克唐納，1943年8月29日出生於加拿大新斯科舍省悉尼（處女男一枚），天體物理學家。
加拿大皇后大學戈登和派翠西亞·葛雷天體物理中心主席、薩德伯里天文台主任。
話說自從2015年拿了諾獎，麥克唐納教授就成了加拿大安大略省皇后大學教授夫人口中的「人家的老公」
每天給老婆做飯，家務活兒全包，還能摘一枚諾獎，完全是男神存在。
薩德伯里天文台
從原理上說，薩德伯里天文台和超級神岡探測器非常類似
稍有不同的是
麥克唐納意識到，中微子和原子核反應的概率需要考慮能級和自旋態，
而通常這樣的概率會隨著原子核的核子數量增加而變大。
所以麥克唐納建議使用重水而不是超級神岡探測器使用的幾萬噸普通水
事實上薩德伯里天文台也觀測到了中微子和氘核的反應。
新猜想
麥克唐納教授預計中微子和中子在誘發重核裂變方面性質會很相似，但對於中微子的流密度要求很高
所以麥克唐納教授認為在超新星中會發生該反應，這一過程會影響宇宙同位素丰度。
子非我，安知我是我？
鬼有好鬼惡鬼，人分好人壞人——「九叔」林正英
其實每個人自己都是一個矛盾的個體
善良和邪惡
勤奮和懶惰
有時候性格不是那麼均勻
恩
中微子呢
人和人的差距比人和狗還大
那麼中微子是否存在階級性呢
亞瑟·麥克唐納教授和梶田隆章教授的成就告訴我們
在量子世界
也需要馬克思主義的唯物辯證法和階級鬥爭
哈哈
「中微子振蕩」解釋了太陽中微子失蹤之謎
之所以那兩節電池沒了
是因為那兩節電池變成了一些其他東西
（就像三星的電池爆炸，微笑.jpg）
中微子不僅有三種，而且正如MSW理論預言的一樣
在不同介質中傳播，三類中微子會相互切換
如果單純觀測其中一種中微子
那麼數量上會只剩下三分之一
這個轉換角色的過程非常可怕
最重要的一點就是證明了中微子並非沒有質量，儘管確實很輕。
這一點很好理解，
對於三中微子系統，質量未必守恆
但質量-能量統一換算後是守恆的，
如果是純粹的靜質量為0，中微子振蕩是完全不可想像的
和別人交換水果，兩根香蕉加一個蘋果換兩個獼猴桃是可以的
但一個蘋果換兩個蘋果
想都不敢想，想都不敢想——梁冬
精確地測量表明
三類中微子的質量之和不超過電子質量的百萬分之一。
但這一點依然會成為標準模型乃至當今粒子物理學解體的第一把推手
因為強大的標準模型中，中微子的質量是也必須是
「0」
展望
聽說梶田隆章教授開始做引力波了
如果在原初引力波上有突破
也許佐藤勝彥教授（1945年8月30日出生，處女男，天體物理學家，宇宙暴漲學說最早提出者，諾獎候選人）能賺一塊諾獎
在中微子領域，最近幾年麥克唐納教授的團隊包括中國大亞灣中微子團隊也有一些很重要的成果，這是一個好的開始。
送上一句話
我帶著拓展人類知識地平線的好奇心從事研究，對這項純科學能成為鎂光燈焦點非常高興——梶田隆章，2016年10月6日，東京大學
也許會有一些錯誤的想法
每天都有一百個想法，儘管其中至少九十九個是錯誤的——致敬處女男們
但總會有驚喜的東西，不是嗎
我的微信TEL：15950095879
E-mail：sh1044shaw@Outlook.com
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