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日本中微子研究为何能获诺贝尔奖

[摘要]超级神冈探测器(Super-Kamiokande)是日本东京大学建造的大型中微子探测器,自投入使用以来产生了数个诺贝尔物理学奖等级的成果。

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

腾讯太空讯 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。

建造最初圆柱形容器高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。(桂林)

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[责任编辑:chirongui]
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