2015年諾貝爾物理獎得主梶田隆章訪臺- 微中子研究之路娓娓道來

作者/文詠萱(本刊編輯)

梶田隆章(Kajita Takaaki)目前為東京大學宇宙射線研究所所長,2015 年以發現微中子震盪等貢獻,與阿瑟·麥唐納(Arthur McDonald)共同獲得諾貝爾物理獎。

梶田隆章所屬的研究團隊, 利用位於岐阜縣飛驒市神岡町地底下1000公尺深的「超級神岡探測器(Super -KamiokaNDE)」,偵測宇宙射線在地球大氣層散射所形成的微中子,發現這些微
中子會在三味(電子微中子、渺子微中子、濤微中子)之間震盪,即微中子在傳遞的過程中會不斷的轉換種類,但總數不變。

梶田隆章於2015年12月22日受邀至臺灣大學演講,這場演講主要講述其如何踏入微中子研究領域、如何找到微中子振盪、微中子研究未來發展等。

踏入微中子研究

1986年,梶田隆章於東京大學攻讀博士學位,當時他研究的主題為「質子衰變(proton decay)」,也就是探討看似穩定存在的質子,是否有消失的一天。他經歷五年研究,雖然對此主題並無新的進展,但他發現研究團隊所使用的粒子分析系統(particle identification),並不能精確的分析神岡大水槽(KamiokaNDE)蒐集到的資料,因此他在繳交了博士論文後,立
刻投入軟體升級研發。

舊型的粒子分析系統僅能以「蒙特卡羅模擬法(Monte Carlo simulation)」估算出大氣微中子數值,而由梶田隆章研發的新型粒子分析系統則能夠真正的測得實際數值,已是相當大的進展。然而,他立刻發現,新型的粒子分析系統中測量到的緲微中子較預期少很多,在重覆交叉比對
後,他確認自己所研發的新軟體測量的數值是正確的,這也引發了他的好奇,預期和實際測量之間的微中子數量差距,到底發生什麼事?他認為其中一定有些蹊蹺,因此於1986年底開始進行微中子研究,也成就了這次受諾貝爾獎肯定的研究成果。

一輩子的老師

梶田隆章有兩位對他影響深遠的老師,一位是其博士指導老師小柴昌俊(Masatoshi Koshiba),另一位則是其學術指導老師戶塚洋二(Totsuka Yoji)。

小柴昌俊於2002年因超級神岡大水槽的前身「神岡大水槽」之研究,獲得諾貝爾獎,梶田隆章形容他與戶塚洋二相比,比較像是皇帝,負責帶領整個研究團隊。而戶塚洋二是超級神岡大水槽實驗的前期主要負責人,於2008年病逝,享年66歲,由於早逝,憾未能於2015年與梶田隆章、阿瑟·麥唐納共同獲得諾貝爾物理獎。

在演講中,梶田隆章其中一張投影片是老師戶塚洋二與學生們的合照,而照片中,有幾排學生站得離老師很遠,他笑著說,他就在這些學生中。「若是沒有戶塚洋二這位老師的話,我現在都不知道在哪裡呢!」

研究團隊用以測量大氣中微中子的超級神岡大水槽於1991年開始動工,並於1996年開始運作。然而,於2001年時,超級神岡大水槽內的數支光電倍增管因連鎖反應突然爆裂,修復的費用極高,實驗可能會就此停止,這項意外讓整個研究團隊信心大失。梶田隆章表示,當時戶塚洋二一聽到此消息,當下就要求盡速修復,儘管花費許多時間與金錢,還是拯救了整個實驗水槽,不僅讓實驗持續,也恢復整個團隊的信心。

微中子未來發展

於微中子研究投入了近30年後,梶田隆章表示,微中子目前尚有許多未知等著科學家們在去尋找答案,例如「微中子的質量圖與夸克、輕子的質量圖是相似的嗎?」、「重子不對稱性─為什麼重子的數量比反重子多?」、「CP對稱─CP不守恆?」等相關研究。

還提到他們將在距日本原子能研究開發機構(Japan Atomic Energy Agency)245公里處建造「特級神岡大水槽(Hyper-KamiokaNDE)」,其寬為48公尺、高54公尺、長240公尺,比超級神岡大水槽大10倍,同樣用於捕捉大氣微中子。它將在2018年開始建造、2025年開始進行實驗,預計與約240名來自13個國家的科學家合作實驗計畫。

得獎後的梶田隆章

在梶田隆章身上並沒有發現任何獲獎的傲氣,反倒是十分謙虛。在場聽眾問道:「微中子具有質量,那他是否會對大氣產生壓力?」梶田隆章笑了笑,表示他對此問題的答案不太確定,也許是因為微中子的質量非常小,目前沒有觀測到壓力。說完之後他連忙說,他並不能保證這
是正確答案,也許這是錯的。

整場演講,梶田隆章時而有些停頓,像是在思考用什麼字詞更能精確地以英文表達自己的意思,但在這些過程中他的眼神卻沒有絲毫的疑慮,依然閃耀著他對科學的熱情。

他從小時候就非常喜歡物理,當時只因著興趣,而選擇物理這條路,卻在讀研究所之前從未想過想當一位物理學家。臺灣大學物理系教授侯維恕在對談時開玩笑的說,梶田隆章從小就喜歡「原子小金剛」這部卡通,最想當裡面的御茶水博士,梶田隆章聽到後,急忙害羞得揮了揮手。

梶田隆章認為不一定進好的大學才有前途,而是「堅持興趣、保持樂觀、相信自己」才是持續下去的關鍵。被問到得了諾貝爾獎後,人生有什麼改變,梶田隆章立刻答道:「得獎後至今都未進過實驗室,我只想趕快回去!」

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