梶田隆章

1986 年春天，二十七岁的梶田隆章刚交完博士论文。论文是在神冈探测器里找质子衰变，结论是没找到。他觉得问题出在软件上：质子衰变的信号淹没在大气中微子的本底里，现有程序挑不干净。于是他动手改写其中一段，专门判断水里的每一圈切连科夫光是电子还是 μ 子留下的。

程序在最简单的情形下工作得很好，模拟事件认对了约 98%。他顺手拿它清点了一遍真实数据里的大气中微子，结果很奇怪：μ 中微子少了一大截，电子中微子却一个不少。十二年后，这个「奇怪」在他亲口宣读的报告里变成了一句话——中微子有质量。

弓道、乡间与小柴研究室

梶田 1959 年生于埼玉县东松山，家在一片稻田中间，离东京坐火车大约一小时。在川越高中，他把大把时间花在弓道上，自称射得并不好，但很喜欢。高中时就对物理有兴趣，便进了附近的埼玉大学读物理。本科四年他练弓道比高中还认真，后来的自传里说，真该多学点物理，因为本科那点底子是日后天天用得着的。

他想做实验粒子物理。1981 年 4 月，东京大学的小柴昌俊收他进了研究室。同组的师兄有坂胜史刚用蒙特卡罗模拟做完硕士论文，研究的正是神冈核子衰变实验——当时组里只有他一个学生在做神冈。恰在此时，一种新研制的 50 厘米光电倍增管开始量产。有坂说服梶田：神冈会是个很有意思的实验。梶田就这样上了船。不久，从德国 DESY 回来的户塚洋二也加入进来。

地下一千米的水池

20 世纪 70 年代末出现的大统一理论预言，质子会以 10²⁸ 到 10³² 年的寿命衰变。神冈就是为检验它而建的：岐阜县神冈矿地下约 1000 米，3000 吨水，有效质量约 1000 吨，内壁装满光电管。带电粒子在水中跑得比水中光速还快时，会拖出一圈锥形的切连科夫光，在池壁上印出一个光环。

1983 年早春，他们在矿里开工，花了将近四个月装好探测器，灌满水，7 月初开始取数。梶田很享受这一整套过程：准备、施工、看着探测器一点点成形，再回东京分析数据。他在自传里说，正是完整经历了一个实验从头到尾，才让他下定决心当职业物理学家。

1986 年 3 月，他以寻找「核子衰变为反中微子加介子」的论文拿到博士学位，没有看到质子衰变。那年他没能拿到日本学术振兴会的博士后，小柴给了他一个东大国际基本粒子中心的一年期助手职位；一年后仍没找到新去处，中心又让他多留了一年。他后来特意感谢这份宽容：正是这两年，他发现了 μ 中微子的亏损。

少掉的 μ 中微子

起初梶田以为是自己犯了严重错误。他把数据里的事件一个一个用眼睛核对，发现粒子识别没错——这反而更糟，说明错误可能藏在模拟、事例筛选或重建程序的深处。1986 年末，他和泷田正人开始逐项排查。

查了一年，没找到大的错误。关键在于一个比值。宇宙线在高层大气里打出 π 介子，π 衰变成 μ 子和 μ 中微子，μ 子再衰变成电子、电子中微子和又一个 μ 中微子：

$$\frac{\nu_\mu + \bar{\nu}_\mu}{\nu_e + \bar{\nu}_e} \approx 2$$

绝对流量只能算到 20%–30%，这个比值却不受宇宙线细节影响，1988 年估计的不确定度只有约 5%。神冈的数据是：电子类事件观测 93 个，预期 88.5 个；μ 类事件观测 85 个，预期 144 个。1988 年的论文写道，这无法用探测器的系统误差或流量的不确定来解释，「某种尚未考虑的物理，比如中微子振荡，也许能解释这些数据」。

这就是后来所说的「大气中微子反常」。梶田最激动的是另一层意思：μ 中微子似乎几乎全部振荡成了别的东西，意味着混合角很大——当时没人预料到这一点。

上下不对称

同年 4 月，他转到东大宇宙线研究所，从此专做大气中微子，并参与筹备下一代探测器。

可 μ/e 比例偏低毕竟只是一个数，可以有别的解释。美国的 IMB 实验随后也看到了 μ 中微子亏损，但两家在 1 GeV 以下能区看到的亏损，都看不出随方向或能量变化。梶田想到一个更干净的检验：宇宙线各向同性，从头顶来和从脚下来的中微子本该一样多；但从头顶来的只飞了几十千米，从地球另一侧穿过来的要飞约 12800 千米。如果中微子质量很小、振荡长度达上百千米，就只有向上的那一半会少。

高能事件方向更准，但每年只有约 20 个，攒了好几年。1994 年神冈发表结果：多 GeV 的 μ 类事件向上与向下之比只有 0.58，电子类却没有这种亏损。这第一次显示亏损取决于飞行距离，正是振荡的特征——但显著度只有 2.8σ，还不足以下结论。需要一个大得多的探测器。

超级神冈

超级神冈 1991 年获日本政府批准，1992 年 10 月日美两国团队签约，许多 IMB 的成员加入进来。它是一只高 41.4 米、直径 39.3 米的圆柱形水罐，总质量 5 万吨，有效质量约 22500 吨，是神冈的约 20 倍，内壁装着 11200 支光电管。

1995 年 3 月，梶田搬到神冈，在地下参与施工一年。工程 1996 年 3 月底完工，4 月 1 日零点，超级神冈准时开始取数。起初大气中微子由两个独立小组分别分析，结果相符后合并，由梶田和波士顿大学的 Ed Kearns 共同负责。

高山，1998 年 6 月

到 1998 年春天，超级神冈分析了 535 天的数据，约 5400 个大气中微子事件，已是此前所有实验的好几倍。6 月，第 18 届国际中微子物理与天体物理会议在岐阜县高山召开，梶田代表神冈与超级神冈合作组作报告。

他展示的天顶角分布里，电子类事件上下对称，μ 类事件从下方来的明显少了，统计显著度超过 6σ。神冈与超级神冈给出的振荡参数范围相互重叠。结论是：μ 中微子振荡成了别的中微子，最可能是 τ 中微子。按 symmetry 杂志的回顾，报告结束时会场响起了热烈的掌声。

振荡要求不同中微子的质量不相等，所以至少有一种中微子有质量——而标准模型假定它们都没有质量。美国的 Soudan-2 与意大利的 MACRO 实验随后也看到了随天顶角变化的亏损，结果与超级神冈完全一致，振荡很快被中微子学界接受。

从「少了」到「振荡」

「少了一半」还不等于「振荡」。按理论，存活概率应随 $L/E$ 起伏：先降到最低，距离加倍又回到 1。超级神冈挑出 $L/E$ 测得准的事件，2004 年在约 500 千米每 GeV 处看到了第一个凹陷。之后又在向上的事件中找到了 τ 中微子出现的迹象，显著度 3.8σ。

到 2015 年，超级神冈已累积约 5000 天数据，是 1998 年的十倍左右。测得的质量平方差约为 0.0024 eV²，最重的中微子约 0.05 eV，比电子轻约一千万倍。混合角与最大混合相符，约 45°，而夸克之间对应的混合角只有约 2.4°。这两组角度为什么差这么多，梶田认为也许藏着夸克与轻子之间更深的关系。

诺贝尔奖与引力波

2008 年 4 月，梶田出任宇宙线研究所所长，卸下了大气中微子分析的担子。他转而推动在神冈地下建一台低温引力波探测器 KAGRA，担任项目负责人，2019 年 10 月 4 日宣告建成。

2015 年，他与在加拿大萨德伯里中微子观测站用太阳中微子证明味转换的阿瑟·麦克唐纳分享诺贝尔物理学奖，理由是「发现中微子振荡，表明中微子有质量」。在诺贝尔演讲的致谢里，他首先感谢的是一路支持他的小柴昌俊和户塚洋二。

2020 年，他出任第 25 期日本学术会议会长。