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日本中微子研究为何能获诺贝尔奖

2019-10-09 17:11:03
  

日本中微子研究为何能获诺贝尔奖

2015 年诺贝尔物理学奖获得者,来自加拿大的物理学家阿瑟·麦克唐纳与日本物理学家梶田隆章

  北京时间 10 月 6 日 17 时 45 分,瑞典皇家科学院揭晓了今年“诺贝尔物理学奖”获奖名单,日本科学家梶田隆章(Takaaki Kajita )与加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳( Arthur B.Mcdonald )获奖。

  说到日本的中微子研究,就不得不说到“超级神冈探测器”,自 1983 年投入使用以来高产出的诞生了数个重量级物理学奖,包括两位诺贝尔物理学奖获得者,分别是小柴昌俊(2002 年)、梶田隆章(2015 年)。

日本中微子研究为何能获诺贝尔奖

超级神冈探测器内部

  “超级神冈探测器”是东京大学 1982 年建造的大型中微子探测器,最初目标是探测质子衰变,也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。它位于日本岐阜县神冈矿山一个深达 1000 米的废弃砷矿中,主要部分是一个高 41.4 米、直径 39.3 米的圆柱形容器,盛有 5 万吨高纯度的水,容器的内壁上安装有 11200 个光电倍增管,用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。

  圆柱形容器高 16 米,直径 15.6 米,装有 3000 吨水和大约 1000 只光电倍增管,目的是探测粒子物理学中的一个基本问题——质子衰变。1985 年,探测器开始进行扩建,名为神冈核子衰变实验 II 期(KamiokaNDE-II),灵敏度大大提高。1987 年 2 月,神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星 1987A 爆发时产生的中微子,这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。

  尽管神冈探测器最初探测质子衰变的目标始终没有实现,但却可以接收来自太阳的中微子,并且测量其入射的方向,研究太阳中微子缺失问题。20 世纪 90 年代,神冈探测器经过再次扩建,于 1996 年开始观测,名为超级神冈探测器,容量扩大了十倍。1998 年,超级神冈探测器的领导者、日本科学家小柴昌俊发表了测量结果,给出中微子振荡的首个确切证据,认为中微子在三种不同“味”之间是可以相互转换的,这也表明中微子是有质量的,而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。2002 年,超级神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。这个探测结果在中微子天文学和粒子物理学中具有里程碑式的意义,小柴昌俊因此获得 2002 年的诺贝尔物理学奖。

  梶田隆章,埼玉大学理学部物理学科毕业,东京大学理学博士。1986 年,梶田隆章担任东京大学理学部助手,并开始中微子研究,在世界一流物理学家小柴昌俊、户塚洋二门下学习,其后于观测中微子时发现异样,依此推测中微子震荡的存在。为证实此一推论,需要庞大的观测数据,超级神冈探测器因此应运而生。1996 年,超级神冈探测器成功观测大气中的中微子,并测定其质量。1998 年,在“中微子物理学?宇宙物理学国际会议”首次发表。1999 年,梶田因此获得日本物理学最高奖“仁科芳雄奖”。

  梶田历任东京大学宇宙线研究所助手(1988 年)、副教授(1992 年)、教授(1999 年),2008 年至今任东京大学宇宙线研究所所长。

  2014 年,美国《今日物理》杂志(Physics Today)预测,因户塚洋二已故,梶田隆章可望与阿瑟·麦克唐纳分享诺贝尔物理学奖。这一预言终于在 2015 年实现。


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