小柴昌俊

1987 年 2 月 23 日，格林尼治时间 7 点 35 分 35 秒，岐阜县一座铅锌矿地下一千米处的一池水里，十三秒之内亮起了十一次微弱的闪光。直到南半球传来消息、说天上出现了一颗肉眼可见的超新星，小柴昌俊的团队才回头去翻那天的数据，把它找了出来。

这十一个事件是人类第一次在太阳系之外接到中微子。那时小柴六十岁，距离从东京大学退休还有一个多月。这池水本来是挖来找质子衰变的——质子没等到，却等来了一门新学科。

澡堂里的一句话

小柴生在爱知县丰桥，在横须贺长大。旧制中学一年级时他因病住院将近半年，数学老师送了他一本爱因斯坦等人写的物理书，这是他和物理的第一次照面。可他后来进了第一高等学校，并没有想着要读物理，成绩也平平——他在做宿舍副委员长，又要打工，常常不去上课。

一高是全寮制，宿舍没有浴室，学生去外面的澡堂。晚年他在一次访谈里回忆，有天他泡在热水里，隔着蒸汽听见一位同学问老师：小柴那家伙整天不来上学，到底打算考哪儿？老师答：

考哪儿我不知道，可凭他那成绩，考物理是不可能考上的，大概会去不用考试的印度哲学之类吧。

离考试还有一个月。他说自己当时只想着「这个混蛋」，当场决定无论如何要考进物理系，拉着一位成绩好的室友给他补课。1951 年他从东京大学物理学科毕业，按他自己的话说，「毕业成绩也惨不忍睹」。

自己写的推荐信

他想去美国读研究生，需要一封推荐信。有人介绍他去见朝永振一郎——他那时并不知道朝永有多了不起，只知道这位先生的家在空袭里烧了，正和别的受灾者一起住在陆军的防空洞里。朝永听他讲完，让他自己用英语写一份推荐语。小柴用他自称「很糟糕的英语」写下：

成绩不好，但也没有那么笨。

朝永看了，咧嘴一笑，签了字。

1953 年他到了罗切斯特大学，1955 年 6 月拿到博士学位，论文研究超高能宇宙线，前后不到两年。他说快的原因很朴素：奖学金一个月 120 美元，而听说在美国拿到物理博士，月薪稳有 400 美元，「那就得一刻也不耽误地拿学位」。

宇宙线与加速器的三十年

毕业后他去芝加哥大学做宇宙线研究，1958 年回东京大学原子核研究所，中间又被请回芝加哥，代理过那里的高能物理与宇宙线实验室主任。1963 年起他在东京大学理学部任教，1964 年建起自己的研究室，1970 年升为教授。

之后十几年，小柴研究室的一大支柱是欧洲的加速器实验：德国电子同步加速器中心（DESY）的 DASP、JADE，后来还有欧洲核子研究中心的 OPAL。他在东京大学创办了素粒子物理国际协作设施，让日本的实验物理学家能成建制地参加海外的大实验——这批人后来成了神冈的骨干。

一个为质子衰变挖的坑

1970 年代后期，大统一理论预言质子并不永恒，寿命在 10³² 年量级甚至更长。只要盯住足够多的质子，就有机会看到其中一个衰变。1978 年，高能物理研究所的菅原宽孝向小柴提议做这个实验。

方案是在神冈矿地下约一千米处放一只大水罐，四壁贴满光电倍增管，看质子衰变产物在水里发出的切连科夫光。这就是神冈探测器，英文名 KamiokaNDE，末尾的 NDE 本来是「核子衰变实验」（Nucleon Decay Experiment）的缩写。

麻烦是美国也在做同样的事，而且规模大得多。小柴在诺贝尔演讲里说，如果只比谁先看到最容易的那种衰变，美国人肯定先找到；小的探测器唯一的出路是比对手灵敏得多，不但能看到衰变，还能把各种衰变道的比例一一量出来。

灵敏度的关键是光电管。他把滨松光子公司的社长请来，当面说自己非要一只直径 50 厘米的「大玉」不可，要一起从头开发。这种大光电管后来成了神冈的命根子，他在诺奖演讲的致谢里单独感谢了这家公司。1983 年 7 月，装着约 1100 支大光电管、三千吨水的神冈开始取数。

从质子到太阳

质子迟迟不衰变。与此同时，美国的戴维斯在南达科他州的金矿里用氯做的实验，十几年来测到的太阳中微子一直只有理论预期的三分之一左右。小柴在诺贝尔演讲一开头就说，这个结果是促使他们认真去做太阳中微子的动力。

算一算，太阳中微子撞出水中电子的事件在神冈里大约十天能有一次——值得一试。难处在能量：质子衰变释放近 1000 MeV，而太阳中微子只有十几 MeV，淹没在水里微量放射性元素的本底中。小柴的团队与美国宾夕法尼亚方面曼（A. K. Mann）领导的小组合作，净化水、加装反符合屏蔽和新的电子学，把放射性本底压低到千分之一，阈值从约 30 MeV 降到约 8 MeV。

他记得很清楚，第一次清清楚楚看到来自太阳的中微子，是 1987 年的元旦。

和戴维斯的放射化学法不同，神冈是实时的，而且知道方向。1989 年他们用 450 天的数据证明，这些事件确实指向太阳，通量是标准太阳模型预期的约一半——太阳中微子的亏损不是戴维斯实验的毛病。

十三秒

元旦之后不到两个月，南天大麦哲伦云里爆发了一颗超新星，是 1604 年开普勒超新星之后第一颗肉眼可见的。小柴的学生们回头去翻 2 月 23 日的数据：因为探测器已经安静到能看太阳中微子，而超新星中微子能量更高、又挤在几秒之内，那一簇信号几乎一眼就能认出来。

13 秒之内，11 个电子事件，能量在 7.5 到 36 MeV 之间。这是反电子中微子与水中质子作用留下的痕迹：

$$\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$$

小柴当即下了封口令：「一个星期之内，绝对不许对外说。」万一弄错，就是天大的笑话。3 月 10 日，神冈报告了观测结果；美国的 IMB 探测器随后也公布了同一时刻的 8 个事件。

这十几个事件的平均能量与总数都和超新星理论的预期吻合。小柴在演讲里特别指出一个细节：信号持续了约十秒。如果中微子来自稀薄的恒星外层，信号会短于一毫秒；要花十秒才扩散出来，说明它们诞生在原子核那样致密的物质里——很可能是一颗刚刚形成的中子星。

那年 3 月，他从东京大学退休。

超级神冈

神冈还留下了另一条线索。大气中的宇宙线簇射产生的 μ 中微子本该大约是电子中微子的两倍，神冈却发现 μ 类事件偏少，1988 年发表了这一结果。这被称作「大气中微子反常」，当时很多人怀疑是探测器的问题。

要回答它，需要一个大得多的探测器。小柴和同事提出了超级神冈：五万吨水，约一万一千支 50 厘米光电管覆盖四成内壁，造价约一亿美元。1991 年日本政府批准，1996 年开始取数，由户塚洋二主持。

1998 年，超级神冈比较了从头顶来（只走了约 20 千米）和从地球另一侧穿过来（约 13000 千米）的大气中微子，发现只有后者中的 μ 中微子明显减少——它们在路上变成了别的味道。振荡意味着中微子有质量，而标准模型原本认为它严格无质量。这项工作的核心成员之一梶田隆章，当年正是被小柴收进研究室、在神冈上开始研究生生涯的，他因此获得 2015 年的诺贝尔物理学奖。

「什么用也没有」

2002 年，小柴与戴维斯分享了诺贝尔物理学奖的一半，理由是「对天体物理学的开创性贡献，特别是探测宇宙中微子」。有人问他的研究有什么用，据东京大学物理系的追悼文记述，他答：「什么用也没有。」

这不是谦虚，而是他一贯的立场：基础科学本来就不是为了发明有用的东西。

中微子天文学刚刚出生

他把诺贝尔演讲题为「中微子天体物理学的诞生」。演讲里他放了一张超级神冈拍的「中微子照片」——太阳在里面比肉眼看到的大得多，因为中微子定方向的精度远不如光。他说：「得有耐心。中微子天体物理学才刚刚出生，还在婴儿期。」

他最想看的是宇宙大爆炸后约一秒留下的 1.9 K 中微子背景，那会告诉我们宇宙一秒大时的样子。他也承认，探测这样低能量的中微子「真是一项艰巨的任务」。

2020 年 11 月 12 日，小柴昌俊去世，终年九十四岁。他当年为找质子衰变选中的那座矿山，如今被人称作中微子研究的「麦加」。