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中微子探测的一万只“眼睛”的故事

—— 想要看到中微子?那就得瞪大”眼睛“啦

导读: 小柴教授是当时日本探测质子衰变实验计划的核心人物。关于质子衰变,虽然对它的预言曾出现在大统一理论中,但还从未得到过确切的实验证明,而切实地将它证实就是小柴教授研究团队本次实验的目标。

  “超级神冈探测器”开启二代20英寸PMT的开发

  神冈探测器虽然没有实现预期的质子衰变观测,但成功完成人类首次中微子的观测。在那以后,质子衰变观测也告一个段落,而该实验设备也继续在中微子观测中发挥威力。正式名称也从“神冈质子衰变实验(KAMIOKA Nucleon Decay Experiment)”改为了“神冈中微子探测实验(KAMIOKA Neutrino Detection Experiment)”。

  同年8月,东京大学发表了“超级神冈探测器”计划,准备将神冈探测器的性能提高10~100倍,目标在1995年完成整体设备的建设,总预算约为87亿日元。本次计划由负责神冈实验的东京大学理学部户塚洋二教授(已故,原为高能加速器研究机构长兼东京大学宇宙射线研究所所长)担任主要负责人。

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  神冈矿洞入口

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  超级神冈实验结构示意

  “超级神冈探测器”位于距离神冈探测器约900m的神冈矿山地下1000m左右的地方。探测器水槽的直径为39.2m、高为41.4m,整体规模约是神冈探测器的16倍。新探测器需要用5万吨的纯水来注满,而水槽的体积变大,也意味着到达壁面的光子将大幅度的减少。另外,为了得到相当于20英寸PMT直径的50cm的位置分辨率,不仅需要契伦科夫辐射图样的信息,还需要更多的时间信息。为此,时间特性须保持在3ns以下。

  随着光子数量的减少,噪声也会更加突出,为了可充分区分入射光子的信号和噪声,提高光子脉冲幅度分辨率是十分必要的。

  为了满足这些要求,20英寸PMT需要拥有更大面积的倍增极。首先,为改善时间特性,研发团队将倍增极的厚度缩减了一半,薄至2.5mm。另外,电子倍增部的口径从原来的75mm扩大到90mm,进而减少了电磁的影响。

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  20英寸PMT剖面图

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  此外,为了提高光电子入射至第1倍增极的效率,不仅要找出第1电极和第2电极之间的最佳位置关系,还需在第1倍增极前设置分别与百叶窗型倍增极百叶相对应的栅极。

  光子在半球状玻壳内壁的光电面碰撞出电子,通过玻壳的曲率半径聚焦到具有较大面积的第1倍增极上,进而汇聚到栅极的各个百叶上。通过这样的改良,时间特性的问题可获改善,并可同时得到了更好的单光子分辨能力。

  改进的过程也充满艰辛,但研发团队并没有懈怠,凭借之前的开发经验和创新精神,不仅最后克服难题,交付了改良型的20英寸PMT R3600,更是在该过程中发明了3项专利技术。

  而这次,“超级神冈实验”对20英寸PMT的数量要求是11200支,比之前的“神冈探测器”增加了数倍。为此,滨松公司也新建了一栋制造楼,专为20英寸PMT的生产,即如今丰冈工厂第7栋制造楼。1992年9月,R3600开始交货,历经近4年时间,直至1996年1月,滨松公司完成了所有货品的交付。

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  实验工作人员将PMT组装到一起

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  PMT背部

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  天顶部分PMT安装

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  “超级神冈探测器”再建时的情景

  (以上“神冈实验”,“超级神冈实验”图片均转自东京大学宇宙射线研究所。)

  而新的探测器在1995年就开始了PMT的安装。新的PMT拥有1000万倍的增益,哪怕是一个光子也可准确地测出。响应时间精度在2.5ns,这段时间内光在水中大约可前进60cm,契伦科夫辐射产生的位置也可通过时间来精密探测。而所谓可以探测出单光子,可以通过这样的比喻来了解,假定在没有其他光的情况下,在月球表面用电筒朝地球照射,而利用该探测器则可在地球捕捉到这个光,“超级神冈探测器”的灵敏度就相当于这样的程度。

  又一次的诺奖荣誉

  1996年4月,“超级神冈探测器”正式开启了探测工作,在同年5月就成功观测到了太阳中微子,对于中微子新的讨论也慢慢开始浮出水面了。

  1998年,在日本高山市举行了“中微子和宇宙物理国际会议”。根据“超级神冈探测器”长达2年的观测结果,小柴教授的学生,东京大学宇宙射线研究所教授(后为所长)梶田隆章发表了“中微子有质量”的报告,顿时获得了界内的高度关注,并引发了世界范围内的热烈讨论。

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  梶田隆章教授

  为了进一步证明这一点,该团队找到了位于筑波市的高能加速器研究机构(KEK)。该机构内的质子加速器制作了大量的人工中微子,研究团队设计了一个将大量人工中微子朝着距离约250km的超级神冈探测器进行地下飞行的实验(K2K),从而使用人工中微子来验证。

  通过十几个月的探测,在2001年,根据K2K的实验数据,中微子质量存在的概率提高到了99%,通过进一步的理论验证和整理,该实验结果在次年得以发表。而这一珍贵的结果,也为梶田隆章教授以及他的团队迎来了2015年诺贝尔物理学奖的荣誉。

  从“滨松电视大人”到“IEEE里程碑”

  20世纪50年代,日本国内对PMT的需求日渐强烈时,一个客户对滨松的工程师说:“如果滨松电视(滨松公司曾用名)能生产PMT,那我们将尊称它为‘滨松电视大人’(浜松テレビ様,“様”是日本人对高地位人的敬称)”。这一席看似玩笑的话,却揭开了滨松PMT的研发序幕。经过多年的研制经验和技术的积累,才最终成就了中微子探测的20英寸PMT,同时也践行了“探索未知未涉”的滨松精神。

  20英寸PMT在超新星、中微子探索中做出的卓越贡献受到了世界范围内的认可。为此,世界著名电子、信息、通信领域的专业学会IEEE(美国电气与电子工程师学会,总部:美国纽约)在2014年授予了它“IEEE里程碑”*1的荣誉。

  注*1 “IEEE里程碑”是IEEE用于认可在某个其涵括的科技领域里的“科技创新和对人类探知发现有卓越贡献的独立产品、服务,影响重大的论文、专利”。

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  滨松20英寸PMT所获的“IEEE里程碑”

  IEEE会长de Marca先生于授奖式表示,自己非常荣幸可以为这一具有跨时代意义的科技成就授奖,并说道:“开发20英寸PMT是一个非常具有挑战,且艰难到足以让人却步的任务。但是滨松时任社长昼马辉夫先生对该任务的接受以及获得的成果,则推动了世纪性的科技进步。”

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  “IEEE里程碑”授奖式

  (左为IEEE会长de Marca,右为滨松现任社长昼马明)

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  纪念碑揭幕式

  授奖的纪念碑设置在丰冈工厂主大门的入口处,为了表示对伟大实验的纪念,纪念碑的碑体使用了来自飞弹市神冈矿洞的片麻岩。滨松现任社长昼马明先生说:“每次在丰冈工厂看到这块授奖牌,我都备受鼓舞。滨松的每一个成员都应以创造造福人类、推动光子科技发展的新产业为目标,秉承挑战者的精神,不断推进光子技术发展的新边缘。”

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  纪念碑

  如今,纪念碑正对着神冈矿洞的方向庄重地站立着,仿佛它在时时刻刻地注视着、等待着下一个新的发现。 

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