在日本岐阜縣的山區(qū)地下1000米,神岡超級(jí)中微子觀測(cè)臺(tái)的探測(cè)結(jié)果震驚了全世界的理論物理學(xué)家,由此誕生了兩個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
如何觀測(cè)太空中飛來的基本粒子,這本書以通俗、風(fēng)趣的語言講解了高能物理學(xué)的發(fā)展史、宇宙射線的發(fā)現(xiàn)、太能能量之謎,以及超級(jí)神岡如何探測(cè)中微子并發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量。
1、一個(gè)探測(cè)質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn),怎么觀測(cè)到超新星爆炸了?本書以輕松的文字,講述了中微子的探測(cè)之旅。
2、超級(jí)神岡誕生了兩個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)!是怎樣的精神與怎樣的契機(jī),成就了超級(jí)神岡。本書展現(xiàn)了諾貝爾獎(jiǎng)的榮耀背后,苦中作樂的研究生活。
3、一本能夠讓你快速了解高能物理學(xué)發(fā)展歷史的科普之書!從中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的金屬箔驗(yàn)電器到加速器,宇宙射線探索之路由作者娓娓道來。
中微子天文學(xué):引力波之后,下一個(gè)天文研究熱點(diǎn)。
戶塚洋二,東京大學(xué)理學(xué)博士。先后就任東京大學(xué)理學(xué)部教授、東京大學(xué)宇宙射線研究所所長(zhǎng)、研究所附屬神岡宇宙基本粒子研究設(shè)施主任、高能加速器研究機(jī)構(gòu)基本粒子原子核研究所教授,以及同研究所所長(zhǎng)等。1987年獲得仁科紀(jì)念獎(jiǎng),2004年獲頒文化勛章。
梶田隆章,東京大學(xué)宇宙射線研究所所長(zhǎng)。畢業(yè)于埼玉大學(xué)理學(xué)部,后進(jìn)入于東京大學(xué)大學(xué)院理學(xué)系研究科,與戶塚洋二等一同參與了神岡和超級(jí)神岡的觀測(cè)活動(dòng)。1999年獲得仁科紀(jì)念獎(jiǎng),2010年獲得第一屆戶塚洋二獎(jiǎng),2015年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),并獲頒文化勛章。
序章 神岡宇宙基本粒子研究設(shè)施
研究生活何其孤獨(dú)
頑強(qiáng)的美國(guó)人
超級(jí)神岡和新的研究環(huán)境
第1章 宇宙射線的發(fā)現(xiàn)
從金屬箔驗(yàn)電器里發(fā)生的電
赫斯的發(fā)現(xiàn)
用云室觀察宇宙射線
正電子的發(fā)現(xiàn)
μ子的發(fā)現(xiàn)
宇宙射線原來是從宇宙來的原子核
π介子的發(fā)現(xiàn)
飛行中的粒子更長(zhǎng)壽?!
V粒子的發(fā)現(xiàn)
第2章 高能物理學(xué)和宇宙射線
加速器的發(fā)明
在實(shí)驗(yàn)室里制造宇宙射線
達(dá)到極限的加速能級(jí)
宇宙射線東山再起——中微子
帶著宇宙間最大能量的宇宙射線
引力波
第3章 中微子是什么
β射線的發(fā)現(xiàn)
β衰變之謎
泡利的中微子假說
中微子和反中微子
怎樣捕捉中微子?
中微子的發(fā)現(xiàn)
第4章 太陽能量之謎
太陽和放射線的反能源危機(jī)
對(duì)逆能源危機(jī)的解釋
太陽能來源于核聚變反應(yīng)
太陽中微子
戴維斯的太陽中微子觀測(cè)
太陽中微子的數(shù)量不夠!
第5章 神岡誕生的故事
在神岡誕生之前
質(zhì)子衰變會(huì)導(dǎo)致萬物寂滅?
切連科夫輻射
水切連科夫裝置和光電倍增管
從光電倍增管獲得的信號(hào)
神岡的建設(shè)
終于到了完工的那一刻
第6章 捕捉到中微子了
質(zhì)子衰變并未發(fā)生
轉(zhuǎn)向中微子觀測(cè)
超新星爆炸的消息
什么是超新星?
來自超新星SN1987A的中微子
三種中微子
成功觀測(cè)到了太陽中微子
太陽中微子之謎
第7章 迎來超級(jí)神岡
新的啟程
對(duì)超級(jí)神岡的殷殷期待
任重而道遠(yuǎn)
增補(bǔ)章 中微子的質(zhì)量——超級(jí)神岡對(duì)大氣中微子的觀測(cè)
中微子
測(cè)量中微子的質(zhì)量
大氣中微子
捕捉中微子的巨大水槽——超級(jí)神岡
超級(jí)神岡捕捉到中微子質(zhì)量的證據(jù)
目標(biāo)是新物理學(xué)的突破口
后記
研究生活何其孤獨(dú)
神岡所在的地方,通常研究人員或者研究生都是孤零零的一個(gè)人,不是在監(jiān)視裝置的運(yùn)行狀態(tài),就是在吃著帶來的盒飯。而且,這也僅限于早上九點(diǎn)半到下午三點(diǎn)之間,晚上則是人影全無的。不過,也不是說裝置就完全處于無人運(yùn)行的狀態(tài)了。觀測(cè)數(shù)據(jù)能從地下通過光纖傳送到位于茂住地區(qū)的宿舍,同時(shí)攝像頭拍攝到的裝置的影像也會(huì)一并傳送過去。所以可以用外面的計(jì)算機(jī)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和檢查,也可以用顯示器觀察各裝置的運(yùn)行情況。但是很可惜,就算在半夜里發(fā)現(xiàn)裝置發(fā)生故障了,也不能在夜里為了修理而直奔坑道。這種急得跺腳眼巴巴等到天亮的心情,舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋扔,或許和發(fā)現(xiàn)人造衛(wèi)星出了故障,卻沒有辦法去修理那樣的心情有點(diǎn)類似吧。
由于處于奧飛驒這樣偏遠(yuǎn)而很難獲取最新信息的地方,加之位于地下,就算是做著再有意思的研究,也沒有幾個(gè)研究員會(huì)心甘情愿在神岡待上好幾天的。在這點(diǎn)上不得不說還是美國(guó)人比較頑強(qiáng)。下面就給大家舉兩個(gè)例子。
頑強(qiáng)的美國(guó)人
1989年,一個(gè)爆炸性的消息發(fā)布了:常溫核聚變反應(yīng)成功了。如果說這是真的,那可是件了不得的事情。于是我和最先提出倡議的美國(guó)楊百翰大學(xué)的史蒂夫?瓊斯(見圖2)一起到神岡的地下連著工作了好幾天,試圖檢測(cè)出應(yīng)該會(huì)伴隨常溫核聚變一起產(chǎn)生的中子。
瓊斯從美國(guó)飛到名古屋機(jī)場(chǎng),接著馬上就坐上高山線,大約在晚上八點(diǎn)就到了高山。我于是到高山去迎接他,并把他帶到茂住的公寓。我們裹著那種常見的又薄又硬的被子熬了一整晚。大冬天即使在室內(nèi),溫度也接近零度,著實(shí)可憐。不過他卻逞強(qiáng)地說:“這里很涼快,正適合倒時(shí)差!钡诙扉_始我們就一起到地下工作,一起奮勇吃著同樣的“礦工盒飯”。(最后倒是沒有檢測(cè)出核聚變產(chǎn)生的中子。于是我們的結(jié)論成了常溫核聚變熱潮的一劑決定性的退燒藥。)
再舉一個(gè)例子,那時(shí)候?yàn)榱烁阒形⒆拥难芯浚瑥馁e夕法尼亞大學(xué)來了些研究員。領(lǐng)頭的阿爾?曼經(jīng)常和我一起入坑做研究工作。中午吃礦工盒飯的時(shí)候,每次都要我給他解釋各種菜色的名頭:什么辣味腌明太魚籽啦,甜味煮鰕虎魚啦。“真是每天都有新發(fā)現(xiàn)啊”,聽著我的解釋,阿爾說道。
拿完全不一樣的居住條件和食物,以及過于苛刻的研究環(huán)境完全不當(dāng)回事,從這一點(diǎn)來說,我們這些人是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上美國(guó)人的。
超級(jí)神岡和新的研究環(huán)境
最新的裝置超級(jí)神岡,預(yù)定從1996年4月開始運(yùn)行。這家伙和原有的裝置比起來,所有部件都要大上10倍,所以即使半夜里也必須要有人在地下監(jiān)控。地上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也二十四小時(shí)有人值守,做著各種各樣的研究。小火車已經(jīng)不再使用了,而從別的入口坐汽車進(jìn)去。這主要是由于半夜里也會(huì)有人進(jìn)進(jìn)出出,再找不到愿意開這小火車的人了。
研究人員和研究生從全國(guó)各地的大學(xué)來到神岡做研究。如果從東京出發(fā)的話,先后要換乘上越新干線、北陸本線、高山線,最后是神岡鐵道,才能總算到達(dá)茂住地區(qū)。全程費(fèi)時(shí)約七個(gè)小時(shí),F(xiàn)在大家都租住在當(dāng)?shù)氐V山的員工宿舍里。圖書很少,加之也沒有可以一起討論的同行,如果裝置沒發(fā)生什么突發(fā)的異常狀況的話,每天都是百無聊賴的。但是,隨著超級(jí)神岡的完工,專心觀測(cè)和研究的人員隨時(shí)都需要維持10人以上的規(guī)模。因此,我們終于打算結(jié)束一直以來的通勤生活,下定決心把工作場(chǎng)所搬遷到神岡。
搬遷這么多人的工作場(chǎng)所是一件相當(dāng)令人頭痛的事情。首先要做的事是整備組織的體制。為了達(dá)到這個(gè)目的,需要從國(guó)家那里拿到“研究設(shè)施”的批準(zhǔn)文件。不用說,這就必須要建造包含研究室和教研室在內(nèi)的一應(yīng)建筑。此外還要購買圖書,能夠和大城市里的大學(xué)和研究所進(jìn)行高速信息交換的多媒體數(shù)據(jù)線路也是必不可少的。所以說,煩惱數(shù)不勝數(shù)。我們一邊夢(mèng)想著有一天能把研究設(shè)施建設(shè)成世界一流的信息基地,一邊著實(shí)地進(jìn)行著新設(shè)施的準(zhǔn)備工作。
一旦到了地下,相對(duì)濕度基本上維持在100%,又濕又悶。但是溫度倒是全年維持在14°不變的。如果不在意周圍裸露的巖石的話,只要有臺(tái)取暖器和除濕器就能打造一個(gè)相當(dāng)舒適的環(huán)境了。
……
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