访问日本「大物理学」实验之一：超级神冈
2020/7/15 22:04:49 大象公会
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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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