超级神冈探测器位于伊豆山内的一个活性锌矿中。其不锈钢罐包含 50,000 吨超纯水，其透明度如此之高，光线可以通过 70 米，强度才损失一半（对于游泳池来说，这个数字是几米）。水由覆盖墙壁、地板和天花板的 11,000 个光电倍增管进行监测。每个管都是一个手工吹制的、直径为半米的真空玻璃灯泡。这些管子记录了切伦科夫光的圆锥形闪光，每个闪光都表示高能中微子与水中原子核的罕见碰撞。当水箱充满时，充气筏上的技术人员会清洁灯泡 [右图]。一个人的垃圾是另一个人的宝藏。对于物理学家来说，垃圾是背景——一些不必要的反应，可能来自一个平凡且广为人知的过程。宝藏是信号——我们希望揭示宇宙运行方式的新知识的反应。例如：在过去的二十年中，几个小组一直在寻找质子的放射性衰变，这是一个极其罕见的信号（如果它真的发生），它被埋在由难以捉摸的称为中微子的粒子引起的反应背景中。质子是原子主要组成部分之一，似乎是不朽的。它的衰变将是许多人认为存在于极其成功的粒子物理学标准模型之外的 大统一理论 描述的过程的有力迹象。巨型质子衰变探测器被放置在世界各地地下的矿山或隧道中，以逃避称为宇宙射线的粒子的持续降雨。但是无论它们进入多深，这些装置仍然暴露在宇宙射线产生的具有穿透力的中微子中。
第一代质子衰变探测器从 1980 年到 1995 年运行，没有看到信号，没有质子衰变的迹象——但在过程中，研究人员发现，当高能中微子撞击原子核并产生带电粒子时，本应平常的切伦科夫光锥会被发射出来。μ子中微子[顶部]产生一个μ子，该μ子可能行进一米，并在探测器上投射出一个清晰的光环。电子中微子[底部]产生的电子产生一小簇电子和正电子，每个电子和正电子都有自己的切伦科夫锥，从而形成一个模糊的光环。绿点表示在同一狭窄时间间隔内检测到的光。中微子背景并不是那么容易理解。
其中一项实验，神冈探测器，位于日本神冈，一个距离东京约 250 公里（155 英里）的矿业小镇（按照中微子的飞行路线）。那里的科学家和位于俄亥俄州克利夫兰附近盐矿中的 1MB 实验使用灵敏的探测器观察超纯水，等待质子衰变的明显闪光。
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这种事件将被隐藏起来，就像一根小草堆里的针，大约有 1,000 个由中微子与水的原子核相互作用引起的类似闪光。尽管没有观察到质子衰变，但对 1,000 个反应的分析发现了一个真正的宝藏——令人兴奋的证据表明，中微子出乎意料地反复无常，在飞行过程中从一种类型变为另一种类型。如果这是真的，那么这种现象与质子衰变一样令人兴奋和颠覆理论。
中微子是神奇的幽灵粒子。每秒钟，都有 600 亿个中微子，大部分来自太阳，穿过你身体（以及其他一切）的每一平方厘米。但是，由于它们很少与其他粒子相互作用，通常所有 600 亿个粒子都会穿过你，而不会碰触单个原子。事实上，您可以将这种中微子束穿过一光年厚的铅块，其中大多数会在末端毫发无损地出现。像神冈探测器这样大的探测器每年只能捕获穿过它的中微子的一小部分。
中微子有三种类型，对应于标准模型中的三种带电伙伴：电子及其较重的亲属，μ子和τ粒子。与原子核相互作用的电子中微子可以产生电子；μ子中微子产生μ子；τ中微子产生τ粒子。自中微子首次被提出以来的七十多年中，物理学家一直认为它们是无质量的。但是，如果它们可以从一种类型变为另一种类型，那么量子理论表明它们很可能具有质量。在这种情况下，这些空灵的粒子可能会集体超过宇宙中所有恒星的质量。
更大的中微子陷阱
正如粒子物理学中经常出现的情况一样，取得进展的方法是建造更大的机器。超级神冈，简称 Super-K，采用了神冈探测器的基本设计，并将其扩大了大约 10 倍 [参见前页的插图]。一组光敏探测器向 50,000 吨水的中心看去，这些水中的质子可能会衰变或被中微子击中。在任何一种情况下，该反应都会产生粒子，这些粒子通过一种称为切伦科夫光的蓝光闪光被发现，该光由帕维尔·A·切伦科夫于 1934 年发现。就像飞机以超音速飞行会产生声波冲击一样，带电粒子（如电子或μ子）在超过其运动介质中的光速时会发出切伦科夫光。这种运动不违反爱因斯坦的相对论，相对论的关键速度是c，即真空中的光速。在水中，光的传播速度比 c 慢 25%，但其他高能粒子仍然可以以接近 c 本身的速度运动。切伦科夫光沿着此类粒子的飞行路径以锥形发射。
在 Super-K 中，带电粒子通常只移动几米，切伦科夫锥将光环投射到光子探测器的墙壁上 [参见插图作者爱德华·科恩斯、梶田隆章和户塚洋二是超级神冈合作组织的成员。科恩斯是波士顿大学的物理学教授，梶田是东京大学的物理学教授，他们领导分析团队研究超级神冈数据中的质子衰变和大气中微子。户塚最近在担任 Super-K 的发言人之后，成为日本国家粒子物理实验室 KEK 的主任。对页上的插图]。这个光环的大小、形状和强度揭示了带电粒子的性质，反过来告诉我们产生它的中微子的情况。我们可以将电子的切伦科夫模式与μ子的切伦科夫模式区分开来：电子产生一簇粒子，导致一个模糊的光环，与来自μ子的更清晰的圆圈完全不同。从切伦科夫光中，我们还可以测量电子或μ子的能量和方向，这与中微子的能量和方向相当接近。
Super-K 无法轻易识别第三种类型的中微子，即τ中微子。这种中微子只有在能量足够的情况下才能与原子核相互作用并产生τ粒子。μ子的质量大约是电子的 200 倍；τ子的质量大约是电子的 3,500 倍。μ子质量在 атмосферных中微子的范围内，但只有极小一部分处于τ能量，因此混合物中的大多数τ中微子将穿过 Super-K 而未被检测到。
实验人员提出的最基本的问题之一是“有多少？”。我们已经建造了一个漂亮的探测器来研究中微子，第一项任务就是简单地计算我们看到了多少。相关的问题是“我们期望有多少？”。为了回答这个问题，我们必须分析中微子是如何产生的。
Super-K 监测大气中微子，这些中微子是在宇宙射线撞击我们大气层顶部时产生的粒子喷雾中诞生的。传入的射弹（称为原初宇宙射线）主要是质子，其中散布着较重的原子核，如氦或铁。每次碰撞都会产生一簇次级粒子，主要是π介子和μ子，它们在空中短暂飞行期间会衰变，从而产生中微子 [参见右侧的插图]。我们大致知道每秒钟有多少宇宙射线撞击大气层，以及每次碰撞中产生多少π介子和μ子，因此我们可以预测期望有多少中微子。
比例技巧
不幸的是，这个估计仅准确到 25%，因此我们利用一个常见的技巧：通常，两个量的比率可以比单独的任何一个量更好地确定。对于撞击大气层中的原子核的 高能宇宙射线 [下方] 会产生一簇粒子，主要是π介子。π介子的衰变序列为每个电子中微子产生两个μ子中微子。从相反方向应该看到相同的 中微子率 [上方]，因为它们都是由以相同天顶角撞击大气层的宇宙射线产生的。当长距离行进的μ子中微子有时间改变类型时，这两个比率都会被破坏。当π介子衰变时，量子波如何使中微子振荡 [左上]，它会产生一个中微子。在量子力学上描述，中微子显然是两个不同质量的波包的叠加 [紫色和绿色]。波包以不同的速度传播，较轻的波包位于较重的波包之前。随着这种情况的进行，波会发生干涉，干涉模式控制着沿飞行路径在任何点最有可能检测到哪种类型的中微子——μ子（红色）或 τ [蓝色]。像所有量子效应一样，这是一个机会游戏，机会非常倾向于在它产生的地方附近的μ子中微子。但概率会来回振荡，在合适的距离偏向τ中微子，并返回到更远的地方偏向μ子中微子。当 中微子最终在探测器中发生相互作用时 [右上]，就会掷出量子骰子。如果结果是μ子中微子，则会产生μ子。如果机会偏爱τ中微子，并且 中微子的能量不足以产生τ粒子，则 Super-K 不会检测到任何东西。----E.K.、T.K. 和 Y.T. Super-K 中，关键是π介子依次衰变成μ子和μ子中微子，然后μ子衰变成电子、电子中微子和另一个μ子中微子。无论有多少宇宙射线落在地球大气层上，或者它们产生多少π介子，每个电子中微子应该有大约两个μ子中微子。计算比这复杂，但最终的预测比率准确到 5%，提供了更好的基准。
在计算了将近两年的中微子后，Super-K 团队发现μ子中微子与电子中微子的比率约为 1.3 比 1，而不是预期的 2 比 1。即使我们扩大我们对中微子通量、它们如何与原子核相互作用以及我们的探测器如何响应的假设，我们也无法解释如此低的比率——除非中微子正在从一种类型变成另一种类型。
我们可以再次使用比率技巧来检验这个令人惊讶的结论。我们第二个比率的线索是要问有多少中微子应该从每个可能的方向到达。原初宇宙射线几乎从所有方向均等地落在地球大气层上，只有两种效应会破坏均匀性。首先，地球的磁场会偏转一些宇宙射线，尤其是低能射线，从而扭曲了到达方向的模式。其次，掠过地球的宇宙射线会产生不深入大气层的中微子簇，这些中微子簇的形成方式可能与从上方直接坠入的宇宙射线不同。
但几何学拯救了我们：如果我们从垂直方向向上看天空，然后再以相同的角度向下看地面，我们应该看到来自每个方向的相同数量的中微子。这两组中微子都是由宇宙射线以相同的角度撞击大气层产生的；只不过一种情况是碰撞发生在头顶上方，另一种情况是碰撞发生在地球的另一侧。为了利用这一事实，我们选择能量足够高的中微子事件（这样它们的母体宇宙射线就不会被地球磁场偏转），然后将向上运动的中微子数量除以向下运动的中微子数量。如果没有任何中微子改变味道，这个比率应该正好是 1。 沃尔夫冈·泡利通过假设一种看不见的粒子带走某些放射性衰变中缺失的能量，从而拯救了能量守恒定律。恩里科·费米提出了结合泡利粒子的 β 衰变理论，现在称为中微子（在意大利语中意为“小中性粒子”）。弗雷德里克·莱因斯（中心）和克莱德·考恩首次使用萨凡纳河核反应堆探测到中微子。在布鲁克海文，第一个加速器中微子束证明了电子中微子和μ中微子之间的区别。雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis, Jr.）首次测量了来自太阳的中微子，他在南达科他州霍姆斯特克的矿井中使用 600 吨清洁液。
正如预期的那样，我们看到向上和向下运动的高能电子中微子的数量相等，但向上运动的μ中微子的数量只有向下运动的一半。这一发现是中微子正在改变身份的第二个迹象。此外，它为这种变形提供了线索。向上运动的μ中微子不可能变成电子中微子，因为没有多余的向上运动的电子中微子。那就剩下τ中微子了。变成τ中微子的μ中微子穿过超级神冈而不发生相互作用，也无法被探测到。
多变的“味道”
以上两个比率有力地证明了μ中微子正在转变成τ中微子，但为什么中微子会改变味道呢？量子物理学用波来描述粒子在空间中的运动：除了质量和电荷等特性外，粒子还具有波长，可以发生衍射等等。此外，一个粒子可以是两个波的叠加。现在假设这两个波对应于略微不同的质量。然后，当波传播时，较轻的波会超前于较重的波，并且这些波会以一种沿粒子轨迹波动的方式发生干涉[请参阅对页的方框]。这种干涉有一个音乐上的类似物：当两个音符几乎但不完全相同时出现的拍频。在超级神冈观测到的不同轨迹上到达的高能μ中微子的数量，与包含中微子振荡的预测 [绿色] 明显匹配，而与无振荡预测 [蓝色] 不匹配。向上运动的中微子 [在图的左侧绘制] 已经传播了足够的距离，使它们中的一半改变了味道并逃脱了探测。
在音乐中，这种效应会使音量发生振荡；在量子物理学中，振荡的是探测一种或另一种类型的中微子的概率。起初，中微子以 100% 的概率表现为μ中微子。在传播了一定的距离后，它看起来像一个具有 100% 概率的τ中微子。在其他位置，它可能是μ中微子或τ中微子。
对于一个粒子来说，这种振荡听起来像是奇怪的行为，但另一个熟悉的粒子也会进行类似的扭曲：光子，光粒子。光可以以多种偏振方式出现，包括垂直偏振、水平偏振、左旋圆偏振和右旋圆偏振。这些偏振方式的质量不同（所有光子都是无质量的），但在某些光学活性材料中，左旋圆偏振的光比右旋圆偏振的光传播得更快。具有垂直偏振的光子实际上是这两种替代方案的叠加，当它穿过光学活性材料时，它的偏振会旋转（即振荡），从垂直到水平等等，因为它的两个圆形分量会失去同步。
对于我们在超级神冈看到的这种中微子振荡，不需要光学活性材料；两个中微子分量之间足够的质量差异会导致味道振荡，无论中微子是穿过空气、固体岩石还是纯真空。当中微子到达超级神冈时，它的振荡量取决于它的能量和它传播的距离。对于向下运动的μ中微子，它们最多传播了几十公里，只发生了一小部分的振荡周期，因此中微子的味道略有改变，我们几乎可以肯定地探测到它们最初的μ中微子味道。向上运动的μ中微子，产生于数千公里之外，经历了如此多次的振荡，以至于平均只有一半可以被探测为μ中微子。另一半以无法探测的τ中微子的形式穿过超级神冈。中微子天文学：1MB 和神冈质子衰变实验探测到来自大麦哲伦星云的超新星 1987A 的 19 个中微子。在 SLAC 和 CERN 精确测量了 Z 衰变率，表明只有三种活跃的中微子世代。超级神冈利用大气中微子收集了中微子振荡的证据。在费米实验室探测到了τ中微子事件，其中关键证据来自安大略省的萨德伯里中微子天文台，该天文台于 1962 年开始运行。解决了太阳中微子难题，其中关键证据来自安大略省的萨德伯里中微子天文台实验。中微子可能占有与所有恒星加起来几乎相等的质量。
这仅仅是一个粗略的描述，但是基于味道比率和上下事件率的论证是如此令人信服，以至于中微子振荡现在被广泛接受为我们数据的最可能解释。我们还对μ中微子的数量如何根据中微子能量和到达角度变化进行了更详细的研究。我们将测量的数量与各种可能的振荡情景（包括无振荡）的预期进行了比较。数据与无振荡预期完全不同，但与某些质量差异和其他物理参数的中微子振荡非常吻合[请参阅前页的插图]。
通过我们最初两年的实验获得的约 5,000 个事件，我们能够消除任何关于大气中微子异常数量可能只是统计偶然性的猜测。但通过其他实验或技术寻找相同的μ中微子振荡来证实这种效应仍然很重要。明尼苏达州和意大利的探测器已经提供了一些验证，但由于它们测量的事件较少，因此无法提供相同的确定性。
佐证证据
进一步的支持来自对另一种大气中微子相互作用的研究：与我们探测器周围岩石中的原子核发生碰撞。电子中微子再次产生电子和随后的粒子簇射，但这些粒子在岩石中被吸收，永远不会到达超级神冈的洞穴。高能μ中微子产生高能μ子，它们可以穿过数米的岩石并进入我们的探测器。我们计算来自向上运动中微子的这种μ子 - 向下运动的μ子被穿透池山的山的宇宙射线μ子背景所掩盖。
我们可以计算出从直接向上到几乎水平方向到达的向上运动的μ子。这些路径对应于中微子传播距离（从在大气层中产生到在超级神冈附近产生μ子）短至 500 公里（水平看时到大气层边缘的距离）长至 13,000 公里（垂直向下看时地球的直径）。我们发现，长距离传播的较低能量的μ中微子的数量比短距离传播的较高能量的μ中微子的数量减少得更多。这种行为正是我们从振荡中期望的，仔细的分析产生的中微子参数与我们最初的研究相似。
如果我们只考虑三个已知的中微子，我们的数据告诉我们，μ中微子正在变成τ中微子。量子理论认为，振荡的根本原因几乎可以肯定的是，这些中微子具有质量 - 尽管 70 年来人们一直认为它们没有质量。（对页的方框中提到了一些其他情景。）
不幸的是，量子理论还将我们的实验限制为只能测量两个中微子分量之间的质量平方差，因为这决定了振荡波长。它对任何一个的单独质量都不敏感。超级神冈的数据给出的质量平方差在 0.001 到 0.01 电子伏特（eV）平方之间。鉴于其他已知粒子的质量模式，很可能有一个中微子比另一个轻得多，这意味着较重的中微子的质量在 0.03 到 0.1 eV 的范围内。这意味着什么？
首先，赋予中微子质量不会破坏标准模型。构成每个中微子的质量态之间的不匹配需要引入一组所谓的混合参数。在夸克中长期以来观察到少量这种混合，但我们的数据表明中微子需要更大程度的混合 - 任何成功的新理论都必须适应的重要信息。
其次，0.05电子伏特仍然非常接近于零，与其他粒子相比。（其中最轻的粒子是电子，质量为 511,000 电子伏特。）因此，长期以来认为中微子质量为零是可以理解的。但是，希望构建大统一理论的理论家们，他们希望在极高的能量下优雅地结合除引力之外的所有力，也会注意到中微子的这种相对轻质。他们经常采用一种称为跷跷板机制的数学工具，该机制实际上预测如此小的但非零的中微子质量是自然的。在这里，一些极其重粒子的质量，也许在大统一质量尺度上，提供了将非常轻的中微子与重达十亿到万亿倍的夸克和轻子分开的杠杆作用。日本和美国正在计划进行长基线中微子振荡实验。来自加速器的中微子束将在数百公里之外被探测到。这些实验应证实振荡现象并精确测量控制它的自然常数。其他难题，其他可能性粒子物理学家们一直在忙于整理其他中微子质量的迹象。30多年来，科学家们一直在捕获太阳中核聚变过程产生的电子中微子。这些实验总是计数的到的中微子少于最佳模型预测的。超级神冈也计算了太阳中微子，发现只有预期数量的约 50%。如果太阳中微子正在改变味，那么这种不足是可以理解的，因为在太阳能量下，超级神冈对电子味有反应，而主要忽略那些转化为μ子或τ味的粒子。然而，位于安大略省的萨德伯里中微子天文台 [SNO]，它使用 1,000 吨重水，最近在证明这种变化方面取得了突破。重水允许 SNO 测量中微子的总数（电子、μ子和τ）以及单独的电子中微子的数量，结果表明总数要大得多。核算似乎平衡了。看起来与太阳中微子相关的质量分裂远小于大气中微子的质量分裂。这符合这样一种情况：三种口味的中微子分布在三种不同的中微子质量上。但是，这个画面并没有考虑到在中微子振荡方面的暗示，即在洛斯阿拉莫斯国家实验室检测到的更大的质量。当费米实验室检查这一特征时，一些奇异的解释正在等待着。物理学家们也在检查转换太阳中微子的理论。在与超级神冈相同的锌矿中的一个洞穴中，建造了一个探测器，该探测器使用 1,000 吨掺有化学物质的矿物油，该化学物质在对中微子反应时会发光。该探测器计数来自 80 至 400 公里外二十多个日本核电站的电子中微子。正在将结果与每个反应堆预期的中微子数量的精确模型进行比较。这项实验应该确定由太阳中微子揭示的详细粒子物理学。总的来说，我们对中微子的看法才刚刚开始清晰。更清晰的认识将依赖于更雄心勃勃的项目。在本世纪后期，超级神冈将暴露在日本太平洋沿岸附近建造的强度更高的加速器产生的中微子束中。目标是验证μ子中微子以符合我们新发现期望的比例改变为τ和电子中微子。后续测量可能会揭示中微子在宇宙物质-反物质不平衡中的作用。或者我们可能会遇到新的难题需要解决。--E.K.，T.K. 和 Y.T.
另一个含义是，在宇宙质量的记账中应考虑中微子。一段时间以来，天文学家一直在试图列表计算在发光物质（如恒星）以及难以看到的普通物质（如褐矮星或弥散气体）中发现的质量。还可以从星系的轨道运动和宇宙的膨胀率间接测量质量。直接核算比这些间接测量少 20 倍。我们的结果表明的中微子质量太小，无法单独解决这个谜团。然而，大爆炸期间产生的中微子遍布太空，其质量可能几乎等于所有恒星的总质量。它们可能会影响大型天文结构（如星系团）的形成。
最后，我们的数据对两个新实验具有直接影响。根据早期来自较小探测器的提示，许多物理学家已经决定停止依赖来自宇宙射线的自由但不可控制的中微子，而是使用高能加速器创造它们。即便如此，中微子也必须传播很长的距离才能观察到振荡效应。因此，中微子束对准数百公里外的探测器。一个探测器 MINOS 正在明尼苏达州苏丹的一个矿井中建造，用于研究从芝加哥郊外的巴达维亚附近的费米实验室加速器发送的中微子，距离为 730 公里。
当然，一个好的大气中微子探测器也是一个好的加速器中微子探测器，因此在日本，我们正在使用超级神冈来监测 250 公里外的 KEK 加速器实验室产生的中微子束。与大气中微子不同，光束可以打开和关闭，并且具有明确的能量和方向。最重要的是，我们在光束的起源附近放置了一个类似于超级神冈的探测器，以表征μ子中微子在振荡之前的特性。我们本质上（再次）使用近源计数与远源计数的比率来消除不确定性并验证效果。自 1999 年以来，来自第一个长距离人工中微子束的中微子穿过了日本的山脉，其中 50,000 吨的超级神冈捕获了少量。究竟捕获了多少将是这个故事的下一章。
进一步探索 寻找质子衰变。J. M. LoSecco，Frederick Reines 和 Daniel Sinclair，《大众科学》，第 252 卷，第 6 期，第 54-62 页；1985 年 6 月。难以捉摸的中微子：亚原子侦探故事。尼古拉斯·索洛梅。大众科学图书馆，W.H.弗里曼公司，1997 年。官方超级神冈网站：www-sk.icrr.utokyo.ac.jpdocsk K2K 长基线中微子振荡实验网站：neutrino.kek.jp 波士顿大学的超级神冈网站：hep.bu.edu~superk