微中子：挑戰物理學「最大之謎」，一本書讀懂諾貝爾獎的研究

規模浩大的微中子實驗
我叫做多田，請多多指教。

我目前任職於日本高能加速器研究機構的研究室，本部和我的辦公室位於茨城縣筑波市，但白天我會待在同樣位於茨城縣，距離75公里遠東海村的J-PARC實驗設施工作。
以下，我想要邊介紹該實驗設施進行的實驗，邊講解本次的演講主題微中子這個基本粒子，談談它究竟是什麼東西。

J-PARC是個複合設施，能夠同時進行複數實驗，其中我參與的微中子實驗被取名為T2K。實驗的概要如下：先在J-PARC人工生成微中子，將該微中子射向西方距離三百公里遠的岐阜縣神岡町，名為超級神岡探測器的微中子偵測器。因為是從東海村到神岡〈TokaitoKamioka〉，所以取名為T2K實驗。

在三百公里的飛行距離中，微中子會發生某種變化。本實驗就是透過觀測該變化，來調查微中子的性質。
如圖1所示，這不是一般關在實驗室裡進行的「實驗」，而是將地球本身當作實驗室的大規模實驗。能夠進行如此浩大的實驗，都多虧了稍後會詳細解說的微中子特殊性質。雖然這次不會深入提及J-PARC，但會稍微詳細說明基本粒子中的微中子性質，講解這個「變化」是什麼、具有什麼樣的意義，以幫助各位瞭解基本粒子物理學究竟在講些什麼。

自然界的結構

首先，先來談談什麼是基本粒子、什麼是微中子。
我所屬的單位是「高能加速器研究機構基本粒子原子核研究所」，專業是基本粒子物理學，由於接著要談的是世人不熟悉的領域，需要向初次聽聞的人說明「什麼是基本粒子」。自然科學分有各式各樣的領域，其分類方法之一是依據「處理概念的規模」來區分。以下試著將自然界分解為不同規模的階層吧。

從宇宙到人類
自然界中最大的概念是宇宙，人類能夠觀測的宇宙規模為1,000,000,000,000,000,000,000,000,000公尺，總共有27個零，龐大得無法想像。

那麼，宇宙是由什麼構成的呢？來試著分解宇宙的構成要素吧！
宇宙是由稱為銀河的概念所構成，研究宇宙、銀河的學問是宇宙物理學。

其次，銀河是由什麼構成的呢？銀河是由如我們所居住的太陽系，也就是稱為恆星系的概念所構成。恆星系是以如太陽自行反應〈核融合反應〉發光的恆星為中心，周圍繞著無法自己發光的行星。恆星系分解後，就會分成如剛才提到的恆星、行星等個別星體。我們居住的地球也是這種行星之一，直徑為10,000,000公尺。討論到地球時，零變少了許多。處理太陽系星體的學問是行星物理學，而處理地球的領域則是地球物理學。
至於生存在這個地球上的人類，大小為一公尺左右。

從人類到原子
接著，人類是由什麼構成的呢？試著將人類分解成更小的階層吧。
把人類分解後，可零散地分為內臟，內臟大小約為0.1公尺，研究人類、內臟的學問是醫學。
內臟是由什麼構成的呢？內臟是由稱為細胞的物質所構成。典型的細胞大小為十萬分之一公尺，雖然肉眼無法看見，但可用光學顯微鏡來觀察。之所以會說典型，是因為細胞的大小會因種類而異。
構成身體的細胞就是剛才提到的典型細胞，但也有大到肉眼可以看見的細胞，比如蛋的卵黃就是一個細胞。研究到細胞大小的學問是生物學。

那麼，細胞是由什麼構成的呢？細胞是由名為分子的物質所構成。研究到分子大小的領域是化學。我們來試著分解分子吧！
由上圖明顯可知，分子是由眾多顆粒聚集而成，每個顆粒是稱為原子的物質。原子的大小為一百億分之一公尺，可見光的波長約為一千分之一公尺，使用光學顯微鏡也無法看見。所謂的「看見」，是用探尋工具〈光學顯微鏡的話為可見光〉打到對象物上，所以比對象物還大的工具，無法個別打到對象物上，也就無法「看見」。

原子的結構
接著來分解原子，觀察裡面的構造。「原子」這個名字，意為世間萬物的源頭。世上的物質是由各種原子組合而成，沒有新的原子產生，也沒有原子會消滅。
實際上，化學的世界是以原子為基本單位，即便發生化學反應，也僅是原子的組合改變，原子本身並沒有變化。所以，過去的鍊金術〈比如從水銀生成黃金〉明顯是一種詐欺。這個認知一直到十九世紀末都被認為是正確的。然而，在十九世紀末，發現各原子內部還有其他東西，原子並不是萬物源頭的基本單位。而且，令人驚訝的是，原子內部幾乎都是空的！人們發現其結構如同太陽系，中心有著相當於太陽的內核，周圍環繞相當於行星的東西。中心相當於太陽的部分稱為原子核，周圍環繞相當於行星的東西則稱為電子。圖4是示意圖，為了方便解說，原子核刻意畫得比較大，但實際大小僅有整個原子的十萬分之一，極其微小。比如，假設這間演講會場是一個原子，則原子核的大小會比放置在會場中央的自動鉛筆筆芯〈的直徑〉還要小。

這樣想來，原子內部真的是空蕩蕩的，說是一無所有也不為過。然而，大家身邊的東西─全都是由原子聚集而成─實際觸摸就知道是實心物體，完全不是空蕩蕩的。
請摸摸看自己的身體、衣服、椅子等。真的很不可思議，明明原子內部是空蕩蕩的，聚集起來卻形成了實心物體。為什麼會發生這樣的現象呢？祕密正潛藏於原子的結構。

前面提到，原子如同太陽系，是電子環繞原子核周圍的結構，這個電子正是關鍵所在。電子不單單僅是行星而已，如同「電子」的名稱帶有電力〈電荷〉，呈現－〈負〉的電荷。跟原子的種類無關，所有原子的外側都包覆著電子，也就是－的電荷。相同種類的電荷〈這個例子是－電荷〉會彼此排斥，原子藉由排斥作用保持形狀。我現在之所以能像這樣拿著手機，就是因為包覆手掌表面原子的電子，與包覆手機表面原子的電子彼此排斥〈圖5〉。如果少了這股彼此排斥的力量，我的手、手機應該會是空蕩蕩的，沒有辦法拿起手機。世間物質能夠保持形狀，其實是因為電子帶有電力、電磁力。大家在國高中物理的力學課程中，應該學過阻力、張力、應力、摩擦力等各種不同的力，但若追本溯源，除了重力，其餘皆為電磁力。

電荷與電場
這邊來講點題外話，來稍微深入討論電荷吧。
大家的推特〈Twitter〉應該有不同職業、興趣、年齡的跟隨者吧。他們感興趣的人事物也富有多樣性吧。而跟隨者感興趣的對象愈多樣，大家對推文的反應也會有所不同。如果是政治推文，跟隨者A和B就會轉推；若張貼有趣圖像，跟隨者A和B沒有反應，但跟隨者C和D反而會按讚。以下以張貼貓咪圖像為例來討論。張貼可愛貓咪的圖像時，愛貓跟隨者、厭貓跟隨者都會對貓咪圖像做出反應〈圖6〉，而對貓咪不感興趣的跟隨者，會直接無視推文。以下將愛貓〈或者厭貓〉的特性稱為「貓荷」。此時，對帶有貓荷的跟隨者來說，動態時報會因貓咪圖像的張貼而發生變化；但對不帶貓荷〈對貓咪不感興趣〉的跟隨者來說，動態時報等同沒有發生變化。這個僅對帶有某特性〈荷量〉者才會產生影響的空間〈變化〉，稱為「場」。
換言之，這邊存在僅對帶有貓荷的人、愛貓〈或者厭貓〉者帶來影響的「貓場」，而對貓咪不感興趣、不帶貓荷的人來說，相當於不存在貓場。

張貼貓咪圖像後，帶有貓荷的跟隨者未必會一同做出反應。我發布的無趣推文很少有人轉推，但極為少數的情況下，會出現轉推數千次的情況。此時，即便最初推文已經發布數日，仍舊會慢慢持續地被轉推出去。對貓咪圖像的反應也是如此，隨著時間經過逐漸擴散，從身邊的人〈親近的人〉依序反應，不久便傳至遠方的人〈不親近的人〉。看見貓咪圖像感到興奮的狀態，逐漸傳播開來。狀態的變化是逐漸傳播，這正是所謂的波。我們就將傳播興奮的情況稱為「貓波」吧。

無限傳播的貓咪圖像與僅在朋友間流傳的話題
這樣的情況換至電的世界，則貓荷是電荷、貓場是電場〈或者電磁場〉，貓波相當於電磁波。
如同對不帶貓荷的人來說，無論張不張貼貓咪圖像，動態時報皆沒有變化，對不帶電荷的物體來說，無論附近有沒有電荷或者有無電磁波，空間皆沒有變化；但對帶有電荷的物體來說，空間明顯有所不同，可以看作是電場出現變化。在這邊，「貓荷」分為「愛貓」和「厭貓」兩種類型，電荷也分為+〈正〉和–〈負〉兩種，如同「愛貓」和「厭貓」對貓咪圖像產生完全相反的反應，+和–的反應也是完全相反。

推特是向全世界發送訊息的社群軟體，貼文會在全球擴散開來，收到來自其他國家的回覆。推文會擴散到什麼程度，要視傳播手段的抵達能力而定。貓咪的可愛是世界共通的，所以貓波能夠跨越國界散播全球。但是，朋友之間前陣子出遊的話題，就僅能在朋友之間傳播，影響的範圍狹小有限。

電磁波跟貓波一樣，有傳播至無限遠的能力，所以電磁波產生的影響力、電磁力，能夠波及至無限遠。重力也同樣能夠影響到無限遠。
另一方面，也存在僅能影響限定範的力，這個稍後再來說明。

不過，雖然說是貓波傳播，但實際交換的是貓咪圖像本身。A張貼的貓咪圖像，B下載至自己的手機。如此，「貓波傳播開來」也可說是「〈帶有貓荷者〉交換貓咪圖像」〈圖7〉。在電磁波世界也是如此，「電磁波傳播開來」可說成「〈帶有電荷者〉交換電磁波」。此時，如同貓波可換成貓咪圖像，電磁波也可視為「光子〈Photon〉」，電波傳播是「〈帶有電荷者〉交換光子」。
一直談論貓咪的話題，可能會讓不帶貓荷的人覺得被冷落，我們回來討論原子吧。

規模浩大的微中子實驗
我叫做多田，請多多指教。

我目前任職於日本高能加速器研究機構的研究室，本部和我的辦公室位於茨城縣筑波市，但白天我會待在同樣位於茨城縣，距離75公里遠東海村的J-PARC實驗設施工作。
以下，我想要邊介紹該實驗設施進行的實驗，邊講解本次的演講主題微中子這個基本粒子，談談它究竟是什麼東西。

J-PARC是個複合設施，能夠同時進行複數實驗，其中我參與的微中子實驗被取名為T2K。實驗的概要如下：先在J-PARC人工生成微中子，將該微中子射向西方距離三百公里遠的岐阜縣神岡町，名為超級神岡探測器的微中子偵...

序言
二○一五年，梶田隆章教授與亞瑟．麥唐納〈ArthurB.McDonald〉獲頒諾貝爾物理獎，獲獎理由是，由大氣微中子〈neutrino〉的研究發現微中子振盪。
日本大肆報導了這則新聞，基本粒子物理學的話題罕見的成為頭條新聞。我記得，當時盛大報導的淨是「發現微中子具有質量」這件事，電視上的解說委員費盡唇舌，內容卻未能清楚傳達給觀眾，落入跟過去相同的結果。

在這個世紀大發現中，雖然微中子具有質量很重要，但到底只是附帶的結果，其本質在於「某微中子會隨著時間經過轉為其他微中子」，若未能理解「基本粒子的種類會隨著時間改變」的重要性，說再多也無法理解這項大發現。

某次與長久受到照顧的Eastpress編輯閒話家常時，我提出了上述看法，結果對方說：「若是這樣，請務必將您的觀點寫成書！」我真不該多話的。
我有生以來第一次執筆的書籍，是同間出版社Eastpress同位編輯負責的《基本粒子物理超入門》〈すごい実験，台灣東販〉，內容正是介紹我參與的微中子實驗。 這項微子實驗〈T2K實驗〉，是針對梶田教授團隊開拓的微中子振盪研究，以人工生成的微中子進行更深入的實驗。

該本拙著主要是著墨實驗裝置，而這次的執筆主題同樣是微中子，預計聚焦於上次未能深入闡述的微中子振盪現象，與以此為基礎的基本粒子物理學。
這兩本書彼此相輔相成，期望讀過《基本粒子物理超入門》的讀者，不要嫌說：「又是基本粒子啊！」請再次拿起本書翻閱。那麼，就讓我們前往這世上最接近身邊、卻也謎團重重的微中子世界吧。

序言
二○一五年，梶田隆章教授與亞瑟．麥唐納〈ArthurB.McDonald〉獲頒諾貝爾物理獎，獲獎理由是，由大氣微中子〈neutrino〉的研究發現微中子振盪。
日本大肆報導了這則新聞，基本粒子物理學的話題罕見的成為頭條新聞。我記得，當時盛大報導的淨是「發現微中子具有質量」這件事，電視上的解說委員費盡唇舌，內容卻未能清楚傳達給觀眾，落入跟過去相同的結果。

在這個世紀大發現中，雖然微中子具有質量很重要，但到底只是附帶的結果，其本質在於「某微中子會隨著時間經過轉為其他微中子」，若未能理解「基本粒子的種類會隨著時間改變」...

序言
第一章 什麼是微中子？
規模浩大的微中子實驗
自然界的結構
從宇宙到人類
從人類到原子
原子的結構
電荷與電場
無限傳播的貓咪圖像與僅在朋友間流傳的話題
原子核的結構
夸克與強力
物理學家的深刻反省
強力是強大但作用距離短的力
基本粒子一覽表
緲子穿透法
微中子的「誕生」
微中子生成
核融合也會產生微中子
人類每秒照射到的微中子量
微中子的名稱由來
微中子的反應性很微弱？

第二章 反物質
反粒子
反粒子的性質
對消滅
對生成
自旋
微中子的反應與偵測
同世代間的交換
契忍可夫輻射
水契忍可夫偵測器
塞翁失馬，焉知非福
付出獲得幸運的努力
全球最大的微中子偵測器─超級神岡探測器

第三章 微中子的偵測
微中子的反應與偵測
同世代間的交換
契忍可夫輻射
水契忍可夫偵測器
塞翁失馬，焉知非福
付出獲得幸運的努力
全球最大的微中子偵測器─超級神岡探測器

第四章 微中子振盪
介子
π介子
大氣微中子
從各個方向降下的微中子
微中子振盪理論
薛丁格的貓
波的疊合
微中子的三種波
微中子的混合角
微中子振盪與拍頻
人工微中子的實驗
從K2K到T2K

第五章 挑戰終極之謎
物質的起源
壽命的不同
對稱性
宇稱反轉的鬼故事
CP對稱性破缺與其理論
若是三世代間就能夠順利
CKM矩陣
克的世代間混合
小林‧益川理論的衝擊
微中子的CP對稱性破缺
挑戰終極之謎的實驗

結尾

序言
第一章 什麼是微中子？
規模浩大的微中子實驗
自然界的結構
從宇宙到人類
從人類到原子
原子的結構
電荷與電場
無限傳播的貓咪圖像與僅在朋友間流傳的話題
原子核的結構
夸克與強力
物理學家的深刻反省
強力是強大但作用距離短的力
基本粒子一覽表
緲子穿透法
微中子的「誕生」
微中子生成
核融合也會產生微中子
人類每秒照射到的微中子量
微中子的名稱由來
微中子的反應性很微弱？

第二章 反物質
反粒子
反粒子的性質
對消滅
對生成
自旋
微中子的反應與偵測
同世代間的交換
契忍可夫輻射
水契忍可...