隨想 物理

近代物理學家:小柴昌俊

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撰文者:梶田隆章、駒宮幸男 林祉均譯
發文日期:2021-08-07
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    諾貝爾獎得主與東京大學名譽教授小柴昌俊於 2020 年 11 月 12 日在東京去世。
     
    小柴教授於 1926 年 9 月 19 日出生於日本中部的豐橋市。他在1951 年完成東京大學物理學士學位,並在兩年後前往羅徹斯特大學攻讀碩士。他於 1955 年在 Morton Kaplon 的指導下獲得博士學位,論文題目為「高能電子 - 宇宙輻射中的質子級聯(cascade)」。

     
    截圖 2021-08-07 下午11.14.08
    小柴昌俊
    PETER MENZEL / MENZELPHOTO.COM


    在接下來的三年裡,小柴在芝加哥大學擔任研究助理。他回到日本後在東京大學核子研究所擔任副教授達一年。接著他回到芝加哥,在一項利用高空氣球探測宇宙射線的實驗中擔任首席研究員。1962年,小柴再次回到東京大學擔任物理學副教授。在1987年退休後,他持續在東海大學任教達十年。


    小柴首先意識到用高能電子-正子對撞機進行實驗可能蘊含許多潛力。1970 年代初,他與蘇聯粒子加速器先驅 Gersh Budker 中斷合作,並因而轉向歐洲尋找新的夥伴。他連絡上在芝加哥時結識的德國電子同步加速器 (DESY) 研究主任 Erich Lohrmann 。小柴和東京大學的研究團隊在DESY負責打造 DORIS e+e- 儲存環,作為 DASP 實驗的一部分。


    在1974 年的美國,布魯克海文國家實驗室和 SLAC 的研究人員同時發現了 J/ψ 共振態。此一發現促使 DESY 科學家建造一種能量更高的e+e 對撞機: PETRA。小柴與來自日本、德國和英國的其他科學家合作開始了 JADE 計畫。JADE 和其他位於 PETRA 的實驗在1979 年發現了膠子。


    1977 年,小柴在東京大學創立了基本粒子物理國際合作實驗室(現為國際基本粒子物理中心)。1980 年代,小柴和他的團隊在歐洲核子研究中心的大型電子 - 正子對撞機進行 OPAL 合作計畫。此外,他還致力於推動國際直線對撞機的建造。


    小柴在1978 年接到一通來自理論學家菅原博隆的電話,要求他設計一個質子衰變實驗,並在 KEK 研討會上展示。小柴立即想起了他在美國期間有過的一個主意,並設計了一個使用大量水和光電倍增管 (PMT) 的實驗。不久之後,小柴聽說美國正在計劃一項相似但可能規模更大的實驗,該計畫後來被稱為 IMB(也就是爾灣-密西根-布魯克海文的縮寫)。他重新審視他的原始設計,並想到可以發展直徑 50 公分的 PMT。他認為,即使 IMB 的實驗發現了質子衰變,他的實驗也可以研究由較高光子偵測效率引起的質子衰變的比率。他的實驗裝置後來被命名為神岡探測器,最後也帶來許多重要的發現。


    神岡探測器建造於神岡町的茂住礦山地底1000 公尺之下。實驗從 1983 年 7 月開始,但是並沒有觀察到令人信服的質子衰變信號。不過小柴注意到直徑 50 公分的 PMT 表現非常出色。1983 年秋天,小柴提議改良神岡探測器,使其能夠觀測太陽微中子。當時,南達科他州的霍姆斯特克實驗是唯一成功探測到太陽微中子的實驗,但觀測到的事件數量僅有預期的 30% 左右。


    經過幾年的改良,神岡探測器於 1987 年初重新啟動,以較低的能量閾值觀察太陽中微子。在 1987 年 2 月 23 日,大麥哲倫星雲中發生了超新星爆炸。神岡探測器記錄下伴隨著這次超新星爆炸的微中子爆發,完美地證實了超新星爆炸的基本物理機制。此外,神岡探測器在 1989 年觀測到太陽微中子並證實了測量到的太陽微中子比理論預測還少的問題。小柴在 2002 年共同獲得諾貝爾物理學獎,「因為他對天體物理學做出開創性貢獻,尤其是在探測宇宙微中子的領域。


    1983 年,小柴提出了超級神岡實驗的想法。當他最初提議應該用神岡探測器觀測太陽中微子時便意識到由於探測器內的水的質量只有三萬噸,事件觀測率會很低。他認為,要推進「微中子天文學」這個領域,就需要一個更大、靈敏度更高的探測器。五萬噸重的超級神岡探測器也成功獲得了微中子物理和天文物理上許多重要的實驗結果,其中包括發現微中子振盪。


    小柴是一位偉大的物理學家,他能夠感受到物理學的方向。他告訴一些比較年輕的同事:
    腦中要一直存放一些裝著研究靈感的「蛋」,因為未來某天它們可能就會孵化。
     
    本文感謝 Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於 Physics Today, Nov. 2021 雜誌內(Physics Today 74, 7, 60 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4800)。原文作者:梶田隆章、駒宮幸男。中文編譯:林祉均,國立清華大學物理系學生。


    Physics Bimonthly(The Physics Society of Taiwan)appreciates that Physics Today(American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Takaaki Kajita、Sachio Komamiya and are published on(Physics Today 74, 7, 60 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4800). The article in Mandarin is translated and edited by J.-R. Lin , Studying at the Department of Physics, National Tsing Hua University.


     
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