物理群星
小柴昌俊 肖像

图:日本内阁官房内阁广报室,2002(日本政府标准利用规约 2.0 版,出自首相官邸网站;维基共享资源)

小柴昌俊

Masatoshi Koshiba

1926–2020 · 生于日本爱知县丰桥 · 日本

粒子物理天体与宇宙学

为寻找质子衰变挖下的一池水,在他退休前一个多月接住了来自约十七万光年外的十一个中微子

诺贝尔物理学奖 2002 对天体物理学的开创性贡献,特别是探测宇宙中微子(与戴维斯分享一半,另一半授予贾科尼)

「基础科学跟发明什么有用的东西根本没有关系。就算把中微子弄得再明白,也不会给任何产业带来利益。」

—— 小柴昌俊接受日本《O plus E》杂志访谈,2014 年(原文日语)

1987 年 2 月 23 日,格林尼治时间 7 点 35 分 35 秒,岐阜县一座铅锌矿地下一千米处的一池水里,十三秒之内亮起了十一次微弱的闪光。直到南半球传来消息、说天上出现了一颗肉眼可见的超新星,小柴昌俊的团队才回头去翻那天的数据,把它找了出来。

这十一个事件是人类第一次在太阳系之外接到中微子。那时小柴六十岁,距离从东京大学退休还有一个多月。这池水本来是挖来找质子衰变的——质子没等到,却等来了一门新学科。

澡堂里的一句话

小柴生在爱知县丰桥,在横须贺长大。旧制中学一年级时他因病住院将近半年,数学老师送了他一本爱因斯坦等人写的物理书,这是他和物理的第一次照面。可他后来进了第一高等学校,并没有想着要读物理,成绩也平平——他在做宿舍副委员长,又要打工,常常不去上课。

一高是全寮制,宿舍没有浴室,学生去外面的澡堂。晚年他在一次访谈里回忆,有天他泡在热水里,隔着蒸汽听见一位同学问老师:小柴那家伙整天不来上学,到底打算考哪儿?老师答:

考哪儿我不知道,可凭他那成绩,考物理是不可能考上的,大概会去不用考试的印度哲学之类吧。

离考试还有一个月。他说自己当时只想着「这个混蛋」,当场决定无论如何要考进物理系,拉着一位成绩好的室友给他补课。1951 年他从东京大学物理学科毕业,按他自己的话说,「毕业成绩也惨不忍睹」。

自己写的推荐信

他想去美国读研究生,需要一封推荐信。有人介绍他去见朝永振一郎——他那时并不知道朝永有多了不起,只知道这位先生的家在空袭里烧了,正和别的受灾者一起住在陆军的防空洞里。朝永听他讲完,让他自己用英语写一份推荐语。小柴用他自称「很糟糕的英语」写下:

成绩不好,但也没有那么笨。

朝永看了,咧嘴一笑,签了字。

1953 年他到了罗切斯特大学,1955 年 6 月拿到博士学位,论文研究超高能宇宙线,前后不到两年。他说快的原因很朴素:奖学金一个月 120 美元,而听说在美国拿到物理博士,月薪稳有 400 美元,「那就得一刻也不耽误地拿学位」。

宇宙线与加速器的三十年

毕业后他去芝加哥大学做宇宙线研究,1958 年回东京大学原子核研究所,中间又被请回芝加哥,代理过那里的高能物理与宇宙线实验室主任。1963 年起他在东京大学理学部任教,1964 年建起自己的研究室,1970 年升为教授。

之后十几年,小柴研究室的一大支柱是欧洲的加速器实验:德国电子同步加速器中心(DESY)的 DASP、JADE,后来还有欧洲核子研究中心的 OPAL。他在东京大学创办了素粒子物理国际协作设施,让日本的实验物理学家能成建制地参加海外的大实验——这批人后来成了神冈的骨干。

一个为质子衰变挖的坑

1970 年代后期,大统一理论预言质子并不永恒,寿命在 10³² 年量级甚至更长。只要盯住足够多的质子,就有机会看到其中一个衰变。1978 年,高能物理研究所的菅原宽孝向小柴提议做这个实验。

方案是在神冈矿地下约一千米处放一只大水罐,四壁贴满光电倍增管,看质子衰变产物在水里发出的切连科夫光。这就是神冈探测器,英文名 KamiokaNDE,末尾的 NDE 本来是「核子衰变实验」(Nucleon Decay Experiment)的缩写。

麻烦是美国也在做同样的事,而且规模大得多。小柴在诺贝尔演讲里说,如果只比谁先看到最容易的那种衰变,美国人肯定先找到;小的探测器唯一的出路是比对手灵敏得多,不但能看到衰变,还能把各种衰变道的比例一一量出来。

灵敏度的关键是光电管。他把滨松光子公司的社长请来,当面说自己非要一只直径 50 厘米的「大玉」不可,要一起从头开发。这种大光电管后来成了神冈的命根子,他在诺奖演讲的致谢里单独感谢了这家公司。1983 年 7 月,装着约 1100 支大光电管、三千吨水的神冈开始取数。

从质子到太阳

质子迟迟不衰变。与此同时,美国的戴维斯在南达科他州的金矿里用氯做的实验,十几年来测到的太阳中微子一直只有理论预期的三分之一左右。小柴在诺贝尔演讲一开头就说,这个结果是促使他们认真去做太阳中微子的动力。

算一算,太阳中微子撞出水中电子的事件在神冈里大约十天能有一次——值得一试。难处在能量:质子衰变释放近 1000 MeV,而太阳中微子只有十几 MeV,淹没在水里微量放射性元素的本底中。小柴的团队与美国宾夕法尼亚方面曼(A. K. Mann)领导的小组合作,净化水、加装反符合屏蔽和新的电子学,把放射性本底压低到千分之一,阈值从约 30 MeV 降到约 8 MeV。

他记得很清楚,第一次清清楚楚看到来自太阳的中微子,是 1987 年的元旦。

和戴维斯的放射化学法不同,神冈是实时的,而且知道方向。1989 年他们用 450 天的数据证明,这些事件确实指向太阳,通量是标准太阳模型预期的约一半——太阳中微子的亏损不是戴维斯实验的毛病。

十三秒

元旦之后不到两个月,南天大麦哲伦云里爆发了一颗超新星,是 1604 年开普勒超新星之后第一颗肉眼可见的。小柴的学生们回头去翻 2 月 23 日的数据:因为探测器已经安静到能看太阳中微子,而超新星中微子能量更高、又挤在几秒之内,那一簇信号几乎一眼就能认出来。

13 秒之内,11 个电子事件,能量在 7.5 到 36 MeV 之间。这是反电子中微子与水中质子作用留下的痕迹:

νˉe+p→e++n\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n

小柴当即下了封口令:「一个星期之内,绝对不许对外说。」万一弄错,就是天大的笑话。3 月 10 日,神冈报告了观测结果;美国的 IMB 探测器随后也公布了同一时刻的 8 个事件。

这十几个事件的平均能量与总数都和超新星理论的预期吻合。小柴在演讲里特别指出一个细节:信号持续了约十秒。如果中微子来自稀薄的恒星外层,信号会短于一毫秒;要花十秒才扩散出来,说明它们诞生在原子核那样致密的物质里——很可能是一颗刚刚形成的中子星。

那年 3 月,他从东京大学退休。

超级神冈

神冈还留下了另一条线索。大气中的宇宙线簇射产生的 μ 中微子本该大约是电子中微子的两倍,神冈却发现 μ 类事件偏少,1988 年发表了这一结果。这被称作「大气中微子反常」,当时很多人怀疑是探测器的问题。

要回答它,需要一个大得多的探测器。小柴和同事提出了超级神冈:五万吨水,约一万一千支 50 厘米光电管覆盖四成内壁,造价约一亿美元。1991 年日本政府批准,1996 年开始取数,由户塚洋二主持。

1998 年,超级神冈比较了从头顶来(只走了约 20 千米)和从地球另一侧穿过来(约 13000 千米)的大气中微子,发现只有后者中的 μ 中微子明显减少——它们在路上变成了别的味道。振荡意味着中微子有质量,而标准模型原本认为它严格无质量。这项工作的核心成员之一梶田隆章,当年正是被小柴收进研究室、在神冈上开始研究生生涯的,他因此获得 2015 年的诺贝尔物理学奖。

「什么用也没有」

2002 年,小柴与戴维斯分享了诺贝尔物理学奖的一半,理由是「对天体物理学的开创性贡献,特别是探测宇宙中微子」。有人问他的研究有什么用,据东京大学物理系的追悼文记述,他答:「什么用也没有。」

这不是谦虚,而是他一贯的立场:基础科学本来就不是为了发明有用的东西。

中微子天文学刚刚出生

他把诺贝尔演讲题为「中微子天体物理学的诞生」。演讲里他放了一张超级神冈拍的「中微子照片」——太阳在里面比肉眼看到的大得多,因为中微子定方向的精度远不如光。他说:「得有耐心。中微子天体物理学才刚刚出生,还在婴儿期。」

他最想看的是宇宙大爆炸后约一秒留下的 1.9 K 中微子背景,那会告诉我们宇宙一秒大时的样子。他也承认,探测这样低能量的中微子「真是一项艰巨的任务」。

2020 年 11 月 12 日,小柴昌俊去世,终年九十四岁。他当年为找质子衰变选中的那座矿山,如今被人称作中微子研究的「麦加」。

代表方程

切连科夫角

cos⁡θc=1nβ\cos\theta_c = \frac{1}{n\beta}

光在水里只跑真空中约四分之三的速度(折射率 n≈1.33n \approx 1.33)。带电粒子比这更快时,会像超音速飞机拖出激波那样拖出一圈光锥,对接近光速的粒子张角约 41°。神冈池壁上上千支光电管记下这个光环,就能反推出粒子从哪里来、往哪里去、带着多少能量。

反β衰变

νˉe+p→e++n\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n

超新星核心坍缩时放出的反电子中微子撞上水分子里的质子,变出一个正电子和一个中子;正电子在水中发出切连科夫光。1987 年 2 月神冈看到的那一串事件,主要就是它。

中微子—电子散射

νe+e−→νe+e−\nu_e + e^- \to \nu_e + e^-

太阳中微子把水里的电子撞得几乎顺着原方向飞出去。看电子往哪走,就知道中微子从哪来——神冈因此第一次证明,这些中微子确实来自太阳所在的方向,而不是别的什么本底。

两味中微子振荡

P(νμ→ντ)=sin⁡22θ sin⁡2 ⁣(1.27 Δm2LE)P(\nu_\mu \to \nu_\tau) = \sin^2 2\theta \, \sin^2\!\left(\frac{1.27\,\Delta m^2 L}{E}\right)

两种质量态混在一起,像两根频率略有不同的弦合奏出「拍」。Δm2\Delta m^2 以 eV² 计,路程 LL 以千米计,能量 EE 以 GeV 计。从头顶来的大气中微子只走了 20 千米,从脚下穿过地球来的走了 13000 千米——只有后者的 μ 中微子少了,这就是超级神冈 1998 年的证据。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.小柴昌俊《中微子天体物理学的诞生》,诺贝尔奖演讲(2002 年 12 月 8 日)
  2. 2.小柴昌俊简历,诺贝尔基金会《诺贝尔奖年鉴 2002》
  3. 3.瑞典皇家科学院《2002 年诺贝尔物理学奖科学背景》
  4. 4.平田等(神冈 II 合作组)《超新星 SN 1987A 中微子暴的观测》,《物理评论快报》第 58 卷第 1490 页(1987)
  5. 5.比翁塔等(IMB 合作组)《与大麦哲伦云超新星 SN 1987A 同时出现的中微子暴》,《物理评论快报》第 58 卷第 1494 页(1987)
  6. 6.久米等《直径 20 英寸的光电倍增管》,《核仪器与方法》第 205 卷第 443 页(1983)
  7. 7.平田等《大气中微子通量的实验研究》,《物理快报 B》第 205 卷第 416 页(1988)
  8. 8.平田等《神冈 II 探测器对硼 8 太阳中微子的观测》,《物理评论快报》第 63 卷第 16 页(1989)
  9. 9.超级神冈合作组《大气中微子振荡的证据》,《物理评论快报》第 81 卷第 1562 页(1998)
  10. 10.小柴昌俊《观测中微子天体物理学》,《物理报告》第 220 卷第 229 页(1992)
  11. 11.梶田隆章自传,诺贝尔基金会(2015)——神冈的施工与取数时间、超级神冈的批准
  12. 12.日本物理学会志编辑委员会《小柴先生追逐的物理之梦》,《日本物理学会志》第 76 卷第 11 期第 688 页(2021)
  13. 13.《我的发言:小柴昌俊》,《O plus E》2014 年 8 月号(本人口述,日语)
  14. 14.横须贺市《名誉市民小柴昌俊的功绩》