在公路休息站接触最尖端科技——培养出两名诺贝尔物理学奖得主的“飞驒宇宙科学馆 神冈实验室”

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位于岐阜县飞騨市神冈町的“神冈宇宙巨蛋”,是一个很特别的公路休息站——在这里,除了可以休息、吃饭,还能顺便学一下宇宙物理学。与休息站建在一起的科学展馆“神冈实验室”里,展示着日本引以为傲的超级神冈探测器方面的科普内容。

“神冈探测器”名称的由来

神冈町曾是一座繁荣的矿山之城,残留着充满昭和气息的复古街景,近年来已成为人气很旺的漫步景点。前来观光的游客和开车去中部山岳国立公园兜风的人们,大致都要在“神冈宇宙巨蛋”休息站逗留。在这个休息站里,有一座和休息站完全不搭界的建筑。那就是能够接触到最尖端宇宙物理学的“飞驒宇宙科学馆 神冈实验室”。

公路休息站“神冈宇宙巨蛋”。左边的圆顶建筑就是神冈实验室
公路休息站“神冈宇宙巨蛋”。左边的圆顶建筑就是神冈实验室

神冈实验室的入口处。可以免费参观
神冈实验室的入口处。可以免费参观

科学研究设施“神冈探测器(KAMIOKANDE)”“超级神冈探测器”虽然名称奇特,但因小柴昌俊和梶田隆章分别于2002年和2015年获得诺贝尔物理学奖而闻名全世界。机构名称“KAMIOKANDE(神冈探测器)”,是以所在地名“KAMIOKA(神冈)”加上“Nucleon Decay Experiment(核衰变实验)”的首字母组合而成。当初建造神冈探测器的目的,就是为了验证“质子衰变”。但由于完全没能观测到质子衰变,主导研究的小柴昌俊就将研究方向转向观测中微子。结果捕捉到了超新星爆发,这也使得其本人获得了诺贝尔奖。

梶田隆章利用后续建造的设施“超级神冈探测器”发现了“中微子振动”。由于建筑设施容积增加了10倍,观测数据也猛增,所以在设施名称前面加了个“超级(super)”。用英语表述的名称定为“Super-KAMIOKA Neutrino Detection Experiment(中微子检测实验)”,含义与研究目的一致。

可以与诺贝尔奖得主梶田博士合影的一角
可以与诺贝尔奖得主梶田博士合影的一角

普通人很难理解超级神冈探测器的工作机制和中微子概念。因为探测器本身仍在运转,即使想实地参观,时间和人数也受到限制。为此,神冈町建造了神冈实验室,借此向大众简明易懂地介绍这座引以为傲的宇宙研究基地的作用和魅力。

在神冈实验室,无论大人还是小孩都能快乐学习
在神冈实验室,无论大人还是小孩都能快乐学习

在巨大的剧场“Wonder Ship”里,可以拍摄如同置身于超级神冈探测器内部的纪念照
在巨大的剧场“Wonder Ship”里,可以拍摄如同置身于超级神冈探测器内部的纪念照

研究获得诺奖离不开神冈町支持

中微子是不带电的基本粒子,太阳等恒星会持续释放,宇宙射线与地球大气碰撞时也会产生。特别是当恒星到达寿命末期发生超新星爆炸时会大量释放。也就是说,宇宙中到处都有中微子。

中微子质量不到电子的百万分之一,以几乎等同光速的速度飞行,无论什么东西都能穿透。实际上,我们的身体每秒也被数百兆个中微子穿过。中微子在极其偶然的情况下会与物质发生碰撞,并发出微弱的光。超级神冈探测器就是设计用来捕获中微子的。

这个展示通过游戏方式帮助人们理解中微子穿透一切的特性
这个展示通过游戏方式帮助人们理解中微子穿透一切的特性

墙壁和柱子的展板上,用浅显易懂的方式解说“超级神冈探测器”和“中微子”等内容
墙壁和柱子的展板上,用浅显易懂的方式解说“超级神冈探测器”和“中微子”等内容

超级神冈探测器,是一个储存着5万吨超纯水的巨大圆柱状水槽,其内侧安装着11129根光电增倍管。每天大约有20个来自太阳的中微子和10个在大气中产生的中微子与超纯水发生反应。通过捕捉反应产生的切连科夫辐射光,来测定这些中微子飞来的方向和能量。据说,根据其结果,可以探知宇宙的历史和现状,甚至可以了解星球内部的情况。

可以参观设施建设时的情形,看到光电增倍管的实物
可以参观设施建设时的情形,看到光电增倍管的实物

光电增倍管实物以与超级神冈探测器内水槽里相同的间隔排列开来
光电增倍管实物以与超级神冈探测器内水槽里相同的间隔排列开来

神冈实验室里实时显示着超级神冈探测器观测到的数据
神冈实验室里实时显示着超级神冈探测器观测到的数据

为了观测中微子,必须尽可能排除那些在大气中飞来飞去的其他基本粒子的干扰,所以要把研究设施建造在厚厚的岩盘之下。而神冈矿山有从山顶通达地下1000米的坑道可供利用,也有干净的水源,作为选址再合适不过了。

神冈实验室的陈列展最后部分展示着小柴昌俊等名人的签名寄语。梶田隆章在其中表达了对神冈町的谢意,“感谢多年来对我们研究的大力支持。”预计到2027年,这里将建成拥有26万吨超大水槽的“顶级神冈探测器”,规模是现有的5倍以上。届时也许会有更重大发现,从神冈町向全世界发布。

神冈矿山是宇宙研究的重要基地,除了拥有超级神冈探测器之外,还有中微子探测器“KamLAND”、大型低温引力波望远镜“KAGRA”等设备
神冈矿山是宇宙研究的重要基地,除了拥有超级神冈探测器之外,还有中微子探测器“KamLAND”、大型低温引力波望远镜“KAGRA”等设备

神冈矿山是宇宙研究的重要基地,除了拥有超级神冈探测器之外,还有中微子探测器“KamLAND”、大型低温引力波望远镜“KAGRA”等设备

神冈实验室里门板上的名人签名寄语
神冈实验室里门板上的名人签名寄语

日本飞驒宇宙科学馆 神冈实验室

  • 地址:岐阜县飞騨市神冈町夕阳丘6
  • 开馆时间:上午9点至下午5点(下午4时30分停止入馆)
  • 闭馆日:星期三(逢假日顺延至下个工作日),12月29日至1月3日
  • 门票免费
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采访/撰文/摄影:nippon.com 日本网 编辑部

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