超級神岡探測器：搭小艇進入地底一公里的微中子觀測站

它藏在一座被遺忘的礦坑（不過我對那裡可不陌生）涼爽的深處，而且就在日本的正中心。這座微中子探測器的畫面震撼到讓視網膜都要跳起來。這是終極的冒險。要我帶你們進去嗎？好，我們一起去探索超級神岡探測器！

大約每十年，探測器會進行一次清理。它那座高40公尺的不鏽鋼水槽平常裝滿5萬噸純水，工作團隊會一階一階慢慢降低水位，好讓他們搭著小船在裡面移動，清潔甚至更換佈滿內壁的光電倍增管（PMT）。整個作業要花上好幾個月。現在是2018年，而這項作業正在進行中。

機會只有這一次。我穿過入口所在的小村子。除了一塊歡迎來到超級神岡的招牌，這裡就是日本鄉下再普通不過的一角。

隧道入口就在附近，但藏在山的深處。入口完全不起眼，不過門口一大堆警告標示和安全守則，還是洩漏了它的藏身之處。

我把車停在一條小路上，從小工具間眾多安全帽中拿了一頂戴上，開始走進隧道。空氣很清涼，四下毫無動靜。

我深入老舊的礦坑隧道。超級神岡建在地底一公里深的地方，利用的是神岡礦山原有的隧道網。我以前探訪過這座礦山廢棄的區段，就在這裡：神岡礦山。

就在我開始懷疑自己是不是在自尋死路的時候，遠處出現了一道光。我加快腳步。是超級神岡的入口！我側耳傾聽，卻只聽到風聲和發電機輕柔的嗡嗡聲。我推開了門。

一進門，我就站在一座吊籃上。往下一看，才發現探測器的巨大水槽就在腳下。這是清醒夢嗎？我按下往下的按鈕，吊籃晃了幾秒，接著便急急往下降。我努力忍住陶醉到快要流出來的眼淚。

吊籃落在一座非常不穩的浮動平台上。我小心翼翼地走著，試著習慣這個特殊地方的物理法則，除非其實是我自己完全暈頭轉向了。我的身子晃來晃去。最好小心一點。這裡的水純淨到了極點，哪個冒失鬼掉下去，好一點是被去角質，最糟是被溶解。

我環顧四周。這是一個平行宇宙，成千上萬顆星星在絕對的寂靜中閃爍。空氣清新提神，水面像風中的絲綢般舞動。

一艘橡皮艇向我遞來船槳，擦著平台嘎吱作響，催我上船。我輕輕坐進去，伸出爪子在平台上輕輕一推。我就這樣被送到了探測器的正中央。很難亂動，我怕掉下去，也怕弄掉脖子上晃來晃去的7台相機裡的任何一台。

微中子探測器是怎麼運作的？

好，那麼！這些微中子是怎麼被偵測到的？靠的是佈滿這裡、也裝在這座巨大水槽外側的光電倍增管（PMT）。總共大約有1萬3千個PMT。那它們不會誤測到其他東西嗎？不會，因為超級神岡所在的位置，只有微中子能抵達這裡（因為它們質量極小，而且不帶電）。

PMT看起來像大燈泡，但作用剛好有點相反。它們不是把能量變成光，而是把非常微弱的光轉換成電流，而這些電流就是超級神岡蒐集到的數據。但微中子跟這道微弱的光又有什麼關係？

你們應該知道，飛機在空氣中超過音速時會產生震波，也就是音爆吧？這裡也是同樣的道理。微中子的速度比光在水中的速度還快，通過時就會產生一種震波：切倫科夫輻射。打到PMT上的，就是這道微弱的光。

現在你們大概知道它是怎麼運作的了。不過，這些分析的目的是什麼？永生？一種乾淨又無限的能源？還是一個宇宙網路，讓我們可以跟遙遠的鄰居互嗆？正當我思考這些問題時，一位天使出現在我身旁，來為我解答。

專訪Christophe

為大家介紹Christophe，一位2014年起定居日本的法國研究員。他是我這趟非比尋常參觀的嚮導（所以這完全不是廢墟探險）。

Jordy：為什麼了解微中子這麼重要？這些認識能為我們對物理或宇宙的整體理解帶來什麼？

Christophe：目前我們研究微中子，主要是出於科學上的理由。這種粒子還沒有被充分了解，弄清楚它的性質可以讓物理學更進一步。我們關心的主要問題之一，是為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成，因為根據量子物理，物質和反物質應該以相同的數量產生。我們最近的測量顯示，微中子和它的反粒子行為並不完全相同，這讓我們能據此構思出解釋。

微中子也被當成信使，用來研究超新星或宇宙中其他劇烈的天文物理現象。這些事件中產生的微中子，能補足望遠鏡觀測到的資訊。因為和光不同，微中子可以穿過塵埃雲。而且它們不帶電，所以不會被磁場偏折。

Jordy：關於微中子，會儲存哪些數據和參數？你具體分析的是什麼？

Christophe：儲存下來的，是某個光電倍增管（PMT）接收到光的精確時間，以及光量。我們根據這些資訊，試著重建當時發生了什麼，再回推到微中子。

Jordy：微中子有真正的實際用途嗎？

Christophe：在實用層面，我知道的唯一應用，是在防止核武擴散的框架下監控核反應爐。運轉中的反應爐會產生（反）微中子。所以透過微中子探測器，就能知道反應爐有沒有在運轉，特別是反應爐是否曾停機來提取鈽。

Jordy：超級神岡偵測到的微中子多嗎？來源有哪些？

Christophe：我們偵測到的微中子有……

由太陽產生的
大氣微中子，由宇宙射線撞擊大氣中的分子所產生
人造微中子，利用粒子加速器產生（以超級神岡來說，加速器位於茨城縣）
由恆星爆炸，也就是超新星產生的。這種情況下，會在很短的時間內偵測到相當數量的微中子。曾參與超級神岡前身神岡探測器研究的科學家，就因為偵測到超新星1987A產生的微中子而獲得諾貝爾獎。

也有其他微中子來源，但太微弱，超級神岡無法清楚辨識出來。例如附近核反應爐產生的微中子，或是地殼中放射性衰變產生的地球微中子。

Jordy：如果微中子是不可或缺的，卻因為宇宙一時興起，就這樣消失了，你能想像會發生什麼事嗎？

Christophe：很難說。宇宙中的微中子數量非常龐大，如果它們消失，宇宙的總能量會減少1%到2%，也許還會稍微改變宇宙膨脹的速度。我覺得最明顯的影響會是間接的：微中子是由核反應產生的，特別是在太陽和恆星裡。所以如果沒有了這些反應，宇宙裡就不會再有恆星。

Jordy：最後一個問題，如果我們的小艇翻了，會怎麼樣？

Christophe：我想主要就是我們會全身濕透吧 😉

Christophe也想為我前面的解說補充一些技術細節：

Christophe：其實偵測到的不只有微中子。在地底下，宇宙射線雖然減少了，但還是有，另外還有天然輻射。所以分析時，必須把這些背景雜訊和微中子區分開來。此外，切倫科夫輻射並不是微中子直接產生的，而是微中子和水分子作用時產生的粒子所發出的。這些粒子會發光，是因為它們的速度超過了光在水中的速度。

謝謝Christophe提供這麼多精彩的細節！接下來要為大家介紹他的一位同事，Yumiko Takenaga。