【人物專訪】2015諾貝爾物理學獎得主:東京大學宇宙射線研究所 梶田隆章教授 (Prof. Kajita Takaaki)

IMG_5069撰文|彭繹栴、陳勁豪

應臺大物理系邀請,2015年諾貝爾獎物理獎得主梶田隆章 (Prof. Kajita Takaaki) 以「大氣微中子研究與微中子震盪 (Atmospheric neutrino studies and neutrino oscillation)」為題,在台大舉行公開演講。在演講之前,梶田隆章教授抽空接受臺大科學教育發展中心的採訪。梶田隆章教授談到了神岡實驗,微中子的性質以及其影響。也談到他的學思歷程,並提到自己未來想要完成的實驗計畫。

訪問以問答方式進行,以下是經過編輯後的採訪紀錄。

微中子震盪的起源

問:微中子一直被認為是不具有質量的。當初是從甚麼地方得到靈感,而想到微中子可能帶有質量?第一次看到結果的時候是否有懷疑過是實驗做錯了?實驗團隊當時的反應是什麼?這樣的實驗結果又怎麼說服別人是對的?

首先,由於我是個實驗物理學家,我所有的想法都是奠基於實驗數據。所以當我注意到神岡實驗的數據有些異常的時候,我開始思考這個實驗結果跟微中子震盪之間的關係。這大約是在80年代後期左右的事情。

不過在那個時候,我最早是打算改進我們對尋找質子衰變的分析,這其實也是神岡實驗一開始的主要動機。為了改進分析的方法,我從改進數據分析軟體下手,其中一個程式是用來區分神岡實驗中所觀測到的電子與緲子的軌跡。我修改了這個程式,之後所產生的結果看起來還不錯,至少電腦模擬的數據是這樣。

 

問:所以您一開始覺得可能是模擬數據的部份出了問題?

答:當初在模擬這個程式的時候,對那些電腦所模擬出來的事件表現相當不錯。所以就打算讓這個新的程式來跑跑看真正的數據。很快的,我就看到了一些奇怪的結果。實驗數據顯示,緲子的數量遠低於我們原先所預期的數量。

這是相當奇怪的事情。我們可以相當精確的預測電子微中子與緲子微中子的數量比,不過這個新的程式所得到的結果告訴我們,電子微中子的數量跟電腦模擬的結果一致,但是緲子微中子的數量卻比電腦模擬所預測的少了很多。所以我看到的時候嚇了一跳,一定有哪裡出了問題,我到底是哪個地方弄錯了呢?無論如何,我必須要知道問題出在哪。首先,我逐一檢查每一個事件,尋找我的軟體出錯的原因,我把所有的事件都列出來用眼睛仔細觀察。其實我們人類的眼睛相當敏銳,可以很快而正確的找出事情的真相。當我看到這些電腦重建出來的結果,我馬上就相信我的新軟體是對的。

不過我並不是太樂觀,因為在這個時候,我才剛拿到我的博士學位而已。如果我在這階段犯了這麼大的錯誤,我的科學家事業可能就危險了。所以我對我的數據分析或模擬中所有可能出錯的部份全部列出來,然後開始對數據分析的每個步驟進行無窮無盡的檢查再檢查。這些全部的檢查大概花了我一年的時間。不過,不知道是幸或不幸,我沒有找到任何嚴重的錯誤。所以我基本上相信程式應該沒有錯誤。

接下來我們的任務便是向其他同行報告我們的結果,說服實驗團隊裡的一起合作的其他科學家們。當然這是一個讓大家都相當驚訝的結果,所以我們花了不少時間讓其他的合作夥伴們相信我們所作的每一件事都是正確的。

在那個時候,不管是「帶有質量的微中子」或是「微中子震盪」都只是其中的一種可能性,所以其中一個相當重要的結論是:微中子震盪是我們實驗結果的一種可能解釋,但同時也可能存在其他的可能性。我們最後的正式說法是或許這個結果隱含了未知的物理在裡面,而微中子震盪是其中的一種可能解釋。

 

問:在這個實驗中,什麼是最困難的部份或是印象最深刻的部份?

答:對我來說,我看到數據的時候相當興奮,因為首先,那個時候我們並不清楚這個奇怪的結果是因為微中子震盪或是其他原因,但是微中子震盪的確是最有可能的一個理由。

在80年代的時候,我想大部分的物理學家都相信,即便微中子震盪存在,緲子微中子轉變到濤子微中子的機率應該相當小。大家都是這樣預期的。這主要是根據我們對夸克系統的了解所推論而來的結果。

但是實驗結果顯示,微中子震盪的機率相當大,所以這個結果讓大家都相當興奮。這個結果跟我們原先所預期的相當不一樣,所以我們在神岡實驗內部有很多討論,包括應該以什麼方法來公佈我們的結果。
問:這是為什麼神岡實驗後來會發展成超級神岡實驗(Super Kamiokonde)的原因嗎?

答:對,就是這樣。

 

問:當在設計這個實驗的時候,為什麼會想到在地底下建這麼樣的一個大水槽呢?為什麼會想用這個方法?

答:當初神岡實驗的主要動機是為了尋找質子衰變,所以整個偵測器是以偵測質子衰變為目標而進行優化。當我說我們以偵測質子衰變為目標而進行優化,表示我們需要能夠把質子衰變所產生的訊號與大氣微中子所產生的背景雜訊區分開來。這就是我們所謂的優化。所以這表示我們也可以對大氣微中子進行精準的測量。

 

問:所以神岡實驗跟超級神岡實驗,兩者的深度跟尺寸都不一樣嗎?

答:兩者的深度差不多,不過尺寸差很多。我們利用光電倍增管來偵測光子。兩個實驗中所用的光電倍增管的尺寸其實差不多,不過超級神岡實驗比神岡實驗晚了大概十年,所以性能比起神岡實驗所用的光電倍增管是有顯著提昇。
我參與了開發光電倍增管的工作,是我最早的任務的一部分,不過我自己也不知道我到底在這部份有多少貢獻(笑)。

 

問:這個經驗對後來微中子物理的關係有多大呢?

答:不管是測量質子衰變,或是微中子震盪,我們都需要有相當好的偵測器。而偵測器中最關鍵的部份便是光電倍增管。所以我們需要有相當好的光電倍增管。我想花時間來開發性能良好的光電倍增管是相當值得的事情。

 

問:所以這就是為什麼您把實驗用的光電倍增管捐贈給諾貝爾博物館的原因嗎?

答:當然,光電倍增管是觀測微中子的關鍵,所以我就把光電倍增管贈送給諾貝爾博物館作為紀念。

 

微中子有質量這件事會直接影響到標準模型和我們對宇宙的理解

問:微中子有質量會對標準模型極我們對宇宙的認識造成影響。可以再更進一步的說明嗎?

答:在粒子物理裡面,我們有所謂的標準模型。這個標準模型基本上相當成功,可以解釋除了微中子具有質量之外的所有實驗數據。

但是標準模型假設微中子沒有質量,而我們卻經由實驗觀測的結果發現微中子具有相當小的質量。這表示標準模型並不完美,需要有一個更好的理論來解釋這些基本粒子的行為。這個更新、更好的理論需要能夠解釋微中子的微小質量。這微小的質量可能是讓我們更深入了解基本粒子的作用之關鍵。

從另外一個角度看來,微中子實驗的結果只是我們對粒子物理有更進一步了解的開始。所以到目前為止,我們還不確定粒子物理會發展成甚麼樣子。

在宇宙學的部份,儘管微中子的質量相當小,但卻可能是理解物質宇宙的關鍵。如果我們從大爆炸的角度來看宇宙的演化,在大爆炸初期應該會具有相同數量的物質與反物質,但是現在卻只剩下物質。有些人認為帶有微小質量的微中子可能是了解這個問題的關鍵。也可能將會對粒子物理及宇宙學帶來根本而深遠的影響。

 

問:所以微中子跟暗物質會不會有關?

答:我們知道宇宙中暗物質的總質量,也知道微中子的質量。而微中子的質量太小了,小到不可能是暗物質的主要成分。也許微中子可能是暗物質的一部分,但是不可能是主要成分,而應是其他的粒子。

 

問:會是第四種風味的微中子嗎?

答:我覺得不太可能。模擬顯示暗物質的質量很小,而我們無法用很輕的粒子去解釋宇宙的一些結構 (如星系)。我們需要比較重的粒子。

 

問:您提到當時發現奇怪的數據的時候,會擔心自己的未來。要怎麼克服這種恐懼?

答:因為我才剛得到博士學位,所以我不想犯錯。但如果結果是正確的話,這將是很重要的發現。因此我想要確認所有的事情,而且我花了一年去檢查所有的細節。在這之後,我覺得我把我所能想到的檢查都做了。接下來,我想我的責任便是去發表這個結果。在那時候,論文的原文是,微中子震盪是其中一個可能,但很顯然,只是其中一種可能。我覺得身為科學家,我的責任是去真正的瞭解緲子數量減少這個現象背後的原因。

 

小心謹慎是克服恐懼的重要關鍵

問:所以小心謹慎是克服恐懼的重要關鍵?

答:對,我很小心。在做完所有可能的檢查後,我需要相信我自己是正確的。另外,我想補充一點,我盡我所能來確保實驗結果的正確性,但是我是相當幸運的,因為神岡觀測站的領導者,小柴昌俊 (Prof. Masatoshi Koshiba) 和戸塚洋二 (Prof. Totsuka Yōji) 很支持我的分析。沒有他們的支持,我想我們永遠無法發表這樣的結果。所以這代表,能得到領導者的支持是相當關鍵的事。領導者的洞見能夠看到數據背後隱含的物理意義是很重要的。

 

誤打誤撞踏入微中子的世界

問:一開始為何選小柴昌俊 (Prof. Masatoshi Koshiba) 當指導教授?

答:我在1981年加入小柴教授的研究組。當時沒有網路,當然也沒有實驗室首頁,所以我手邊關於小柴教授實驗室的資訊是很少的。我看到的資料就只有學校的介紹資料,裡面只寫著進行正負電子對的相關研究。儘管我現在是宇宙物理學家,不過我當時想做的是粒子物理。總之,我年輕的時候,我想做粒子物理實驗,因此就這麼加入了小柴教授的實驗室。

 

問:當您加入小柴教授的研究組之前,有先跟小柴教授討論過嗎?

答:沒有(笑)。奇怪的是,儘管簡介上寫著實驗室做的是正負電子對相關實驗,我一進去後,做的卻是神岡微中子的實驗...

 

科學之路怎麼走?

問:大學就讀埼玉大學而不是東京大學或是京都大學,對您而言有什麼影響呢?

答:琦玉大學是比較當地的大學,所以學生基本上沒有特別認真的唸書,也因此我在大學時期有很多自由時間,而且也沒有很大的壓力要把物理學好,反而能夠保持自己對物理的興趣。如果我被逼著要努力學好物理,說不定反而會失去了對物理的興趣。

 

問:聽說您小時候就喜歡唸書,希望變成御茶水博士 (お茶の水博士) ?

答:這個嘛,這是我爸媽說的,不過我不記得啦 (笑) 。那可能是在我五六歲的時候說的,所以我完全沒印象了。我是有看這類的電視卡通,不過原子小金剛只是其中之一。

 

問:為何喜歡粒子物理?

答:我只是單純的想對自然界有最深入的理解跟認識。不過這是我大學時期的想法。當我越學越多,就發現物理有更多有趣的題目,所以我不再侷限於粒子物理。

 

問:您似乎曾經寫過一本科普書。這是您唯一的一本寫給大眾的書嗎?所以您大多數的時間是專注在研究上嗎?

答:是的,我大部分的時間是專注在研究上。你提到的那本書,我想應該已經是十多年前的事了。最近我有出另外一本書,關於微中子的物理,但我主要的工作是研究,沒有太多時間寫書。所以像最近這本新書,我寫的非常慢,用了五年才完成。

 

問:您有做科普演講嗎?

答:如果有人邀請的話就有,但我到目前為止並沒有給過太多場科普演講。

 

問:可以請您比較一下日本與台灣的科學教育嗎?

答:我不清楚台灣的科學教育,所以沒有辦法提出任何看法。至於日本的科學教育,普遍的問題是年輕學子很早就決定不做科學了。可能是因為覺得科學太困難,太數學... 但你若是有機會作研究,你會發現研究其實蠻有趣的,所以我想試著讓年輕人覺得科學是值得做的。

 

問:所以您會覺得學生或小朋友需要盡早接觸科學,甚至早至三四歲就開始嗎?

答:不... 一般學生開始接觸自然科學是在他們進小學,大概是七歲左右。我覺得在小學的時候,他們對於學習自然科學沒甚麼問題,但是,當他們進入國中或高中階段,就開始認為科學很困難。我們應該改善這樣的情況。說實在,我不太知道要怎麼來改善這種情況。

 

問:最後一個問題是,拿到諾貝爾獎之後,您想做什麼呢?有沒有什麼夢想等待您去實現的?

答:我現在在做偵測重力波的實驗,我想開啟一個新的科學領域:重力波天文學。我希望能夠讓這個計畫順利成功。

 

問:那神岡實驗呢?

答:微中子實驗當然還是在持續進行。日本正在籌畫下一個階段的研究,所以可能的話我也希望能夠幫助他們。

 

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