他是非典型学渣,却证明了星星爆炸的猜想

作者: 王善钦

来源: 蔻享学术

发布日期: 2020-11-23 11:59:03

小柴昌俊,2002年诺贝尔物理学奖得主,以其对神冈探测器的杰出贡献和对超新星中微子的首次探测而闻名。他的职业生涯充满了传奇色彩,从一个物理成绩不佳的学生成长为物理学界的领军人物。神冈探测器在他的领导下不断升级,最终在1987年探测到超新星SN 1987A的中微子,这一发现不仅证明了星星爆炸的理论猜想,还为中微子天文学和理论物理的研究开辟了新的道路。

2020年11月12日,著名物理学家、2002年诺贝尔物理学奖得主小柴昌俊逝世,享年94岁。小柴昌俊的一生颇富传奇性:他是一个考入东京大学物理系的学霸,但又是他那一届物理系学生中的倒数第一的学渣;他负责著名的神冈探测器,在退休前1个多月,这个探测器成为首次探测到超新星中微子的两个探测器之一。小柴昌俊能力过人,擅长培育人才,他的一名学生也成了诺贝尔奖得主,另一学生差点也获得诺贝尔奖。

他以杰出的实验室领导才能著称,他负责的神冈探测器在他与他学生的发展下,不断升级,不断占领相关领域高地,为人类研究中微子天文学与理论物理贡献了极重要的力量。

小柴昌俊于1926年9月19日出生于日本爱知县丰桥市。小时候他得了小儿麻痹症,但住院时却因读了爱因斯坦的书,对物理产生兴趣。读高中期间,小柴昌俊的物理成绩并不好。当时他读的是住宿制高中。

有一次他在学校的浴室洗澡时,无意中听到同学和自己的物理老师在评论他的成绩,物理老师说他物理成绩差,即使考上东京大学,也只能读印度哲学。小柴昌俊听了很受刺激,受到刺激后,小柴昌俊发愤图强,找学霸同学辅导自己,苦读物理,最终于1948年考上了东京大学的物理专业。

1951年,小柴昌俊大学毕业。虽然倒数第一,但幸好有两门实验课优秀,他得以继续读研究生,研究课题是拍摄宇宙线。1953年,小柴昌俊在东京大学获得硕士学位,然后申请到奖学金,来到罗彻斯特大学读博士。1955年,小柴昌俊获得博士学位,前后只用了2年。博士毕业之后,小柴昌俊先是当了3年研究助理,然后,因为不习惯英语世界,小柴昌俊回到了东京大学,任原子能研究所副教授。

1967年,苏联物理学家、“苏联氢弹之父”萨哈罗夫提出一个猜想:质子会衰变。小柴昌俊负责的项目组是探测质子衰变信号的项目组之一。经过考察,小柴昌俊将实验室的地址确定在神冈町的一个巨大的地下矿井。按照计划,这个探测器是一个“核子衰变实验”探测器。神冈探测器于1982年开始建设。1983年4月,神冈探测器建设完毕,一直运行到1985年,这个时期的神冈探测器也被称为“神冈1”。

1985年,神冈1开始被升级为神冈2。

1987年2月24日,多伦多大学天文系的研究生伊安·谢尔顿在位于智利的Las Campanas天文台拍摄大麦哲伦云星系照片,冲洗后与之前拍摄的照片比较,发现里面突然出现了一颗5等星。谢尔顿意识到有大事发生了,他立即走到室外,抬头就在大麦云看到了一颗突然变亮的星。此后又有另外两位天文学家也分别观测到这颗突然变亮的星。

这是一颗超新星,一颗注定名垂青史的超新星,因为它是此前近400多年来距离地球最近的超新星,它与地球的距离仅17万光年。

1987年2月,小柴昌俊负责的神冈2探测器与其他两个探测器首次证明证实了“星星如何爆炸为超新星”的理论猜想。这是一个非常幸运的事件。因为并非每个大质量的星星爆炸为超新星时发出的中微子都会被探测到。能不能探测到超新星发出的中微子,取决于探测器的灵敏度与超新星的距离。以神冈2的灵敏度,它无法探测到更远的超新星发出的中微子。因此,大麦云中爆发的这颗超新星是给人类的一个珍贵的礼物。

2002年,小柴昌俊因为对“在天体物理学领域做出的先驱性贡献,尤其是探测宇宙中微子”而获得了诺贝尔物理学奖。与小柴昌俊分享2002年诺贝尔物理学奖的是雷蒙德·戴维斯与里卡尔多·贾科尼。戴维斯获奖的原因是发现了太阳中微子,贾科尼获奖的原因对宇宙X射线源的先驱性贡献。

在探测到超新星SN 1987A的中微子1个多月后的3月底,小柴昌俊光荣地退休,然后到日本东海大学任教到1997年。

虽然小柴昌俊离开了神冈探测器,但因为超新星中微子这个重大发现,神冈探测器得到了免死金牌,步步高升。1988年,神冈2观测到太阳中微子,虽然这并非人类第一次观测到中微子,但神冈2的观测确定了这些中微子的入射方向,确定了这些中微子确实来自太阳。1990年,神冈2被升级为神冈3,一直运行到1995年。1995年,神冈3被升级为超级神冈,包含纯净水5万吨,水箱内壁安装着1万3千个光电倍增管。

1996年,超级神冈开始采集数据。很快,超级神冈的观测证明了大气中微子振荡现象,这个结果于1998年被公开后,立即引起了巨大的震动,因为这个结果意味着中微子确实有质量,与粒子物理的标准模型相抵触,这意味着标准模型需要被修正。在质子衰变理论方面,超级神冈也取得了进一步的结果:如果质子会衰变,其寿命将超过10的34次方年,即100亿亿年,这个结果把SU(5)与其他一些大统一理论排除了。

现在,超级神冈团队正在建设顶级神冈,建成之后,里面的纯净水将达到100万吨,是超级神冈的20倍,光电倍增管的数目也将大大增加。顶级神冈的灵敏度也将大大超过超级神冈。如果顶级神冈还是无法探测到质子衰变,那就意味着质子的寿命超过10的35次方年,即1000亿亿亿亿年,这将把所有大统一模型都排除。顶级神冈将在2027年开始采集数据,到时将给大统一模型一个最终的判决。

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