户塚洋二、梶田隆章著的这本《从地底发现宇宙》从神冈超级中微子探测器的发展史、高能物理学发展史、捕捉中微子的过程、宇宙射线以及太阳能量与中微子的关系等方面介绍了超级神冈中微子探测中心从地底到宇宙的探索，描述了超级神冈中微子探测中心的研究设施及研究生活。

中微子是组成自然界的最基本的粒子之一，中微子质量之谜的突破，可谓开启粒子物理学理论框架被改写的新篇章。户塚洋二、梶田隆章著的这本《从地底发现宇宙》以通俗、风趣的语言讲解了高能物理学的发展史、宇宙射线的发现、太阳能量之谜、超级神冈如何探测中微子并发现其质量。

序章 神冈宇宙基本粒子研究设施

 研究生活何其孤独

 顽强的美国人

 超级神冈和新的研究环境

第1章 宇宙射线的发现

 从金属箔验电器里发生的电

 赫斯的发现

 用云室观察宇宙射线

 正电子的发现

 μ子的发现

 宇宙射线原来是从宇宙来的原子核

 π介子的发现

 飞行中的粒子更长寿？！

 V粒子的发现

第2章 高能物理学和宇宙射线

 加速器的发明

 在实验室里制造宇宙射线

 达到极限的加速能级

 宇宙射线东山再起——中微子

 带着宇宙间最大能量的宇宙射线

 引力波

第3章 中微子是什么

 β射线的发现

 β衰变之谜

 泡利的中微子假说

 中微子和反中微子

 怎样捕捉中微子？

 中微子的发现

第4章 太阳能量之谜

 太阳和放射线的反能源危机

 对逆能源危机的解释

 太阳能来源于核聚变反应

 太阳中微子

 戴维斯的太阳中微子观测

 太阳中微子的数量不够！

第5章 神冈诞生的故事

 在神冈诞生之前

 质子衰变会导致万物寂灭？

 切连科夫辐射

 水切连科夫装置和光电倍增管

 从光电倍增管获得的信号

 神冈的建设

 终于到了完工的那一刻

第6章 捕捉到中微子了

 质子衰变并未发生

 转向中微子观测

 超新星爆炸的消息

 什么是超新星？

 来自超新星SN1987A的中微子

 三种中微子

 成功观测到了太阳中微子

 太阳中微子之谜

第7章 迎来超级神冈

 新的启程

 对超级神冈的殷殷期待

 任重而道远

增补章 中微子的质量——超级神冈对大气中微子的观测

 中微子

 测量中微子的质量

 大气中微子

 捕捉中微子的巨大水槽——超级神冈

 超级神冈捕捉到中微子质量的证据

 目标是新物理学的突破口

后记

太阳的能量之源来自氢元素的核聚变反应，这一结论已经为人们广泛接受了。一般来说，靠氢元素的核聚变反应发光的恒星叫做主序星。就主序星而言，如果能够知道构成恒星的元素成分，那么对于一定质量的恒星，其年龄以及放出的能量的多少都可以计算出来(质量—亮度的关系)。一定质量的恒星其表面温度和输出能量的关系也可以计算出来（表示此关系的图表被称为赫罗图(H-R diagram)）。通过观测位于银河系中的星团，人们确认了这些计算基本上是正确的。

不过，上述结果说到底也只是恒星的统计数据，如果要确认恒星中是否真的在发生核聚变反应，还是需要通过直接观测的方法来加以验证。那么应该如何进行观测呢？首先自然应该从离我们最近的恒星——太阳着手，寻找突破口。

在太阳中心附近产生的能量，通过传导和对流的方式传到太阳表面，再以光的形式从6 000摄氏度的光球表面向宇宙空间放射出去。但是，不管怎样去观测太阳的表面，都没有办法知道其内部到底是煤炭在燃烧，还是残存着像开尔文勋爵所说的初期能量，亦或是中心有一个黑洞在放出能量。

唯一可能的方法就只有观测一产生就从太阳内部发射出来的中微子了。如果能够知道中微子是从太阳来的，就可以证明太阳内部在发生核反应了。接下来就要确认观测到的中微子的数目和核聚变反应的预测数目是否一致了。然后需要估算的是每个中微子所携带的能量，调查其是否与β衰变的预期值一致。如果观测能够跨越所有这些障碍的话，不要说太阳了，就是一般的恒星，也可以证明其的确是由于氢元素的核聚变反应而发光的。

早在莱因斯观测原子炉的反中微子之前的1940年代，就已经有研究者在考虑使用完全不同的方法检测中微子了。他们是布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno M Pontecorvo，苏联籍意裔物理学家）和路易斯·阿尔瓦雷茨（Luis Alvarez，美籍西班牙裔物理学家，1968年诺贝尔物理学奖获得者）。路易斯·阿尔瓦雷茨与沃尔特·阿尔瓦雷茨父子的大名，因其倡导的巨型陨石撞击地球而导致恐龙灭绝的学说而为孩子们所熟悉。路易斯是沃尔特的父亲。路易斯·阿尔瓦雷茨用气泡室代替云室作为粒子检测装置，使得气泡室广泛应用于高能物理学，他对新的基本粒子的发现做出了很大的贡献，因而获得了1968年的诺贝尔物理学奖。他是继发明了回旋加速器的劳伦斯之后的另一位伟大的实验物理学家，他还参与开发了线性加速器。我曾听说过，连袖珍计算器也是借由他的提议而由惠普公司实现商品化的。

庞蒂科夫则是出生在意大利而流亡到苏联的谜一般的学者。除了高龄，他还患上了一种间歇性身体颤抖的疾病。但是他依然对中微子充满了兴趣，在有关中微子的国际会议上，从头到尾坚持列席了一直持续开到晚上九点钟的特别会议。我并不是在这里有意炫耀，当时会议的主题正是有关由神冈实验提出的大气中微子异常的现象。大气中微子异常搞不好就是由庞蒂科夫提出的中微子振荡所引发的现象，为了确定进一步研究此异常需要进行怎样的实验，会议上对这些议题进行了讨论。不用说，我也发表了演讲。我在庞蒂科夫面前演讲的时候，让我想起了在贝特面前演讲时同样的感受。

这里，两人所考虑的检测中微子的方法，是将原子序号为17的氯元素与中微子进行反应。在自然界中存在的氯元素，是由原子量（中子数和质子数之和）分别为35和37的两种同位素以三比一的比例混合存在的。尤其是氯37，中微子会被其原子核吸收而变成电子（注意到这里电子数是守恒的）。原子核由于失去了负电荷而变成了原子序号加一位的氩37。这时候如要计测电子的话会因为环境噪声的问题而变得非常困难，所以两人采用了和莱因斯不同的方法——即使用化学手段将氩而不是电子抽取出来。如此两人都提议将氯元素测定器放到原子炉内以检测中微子。阿尔瓦雷茨则更是已经在考虑检测太阳中微子的可能性了。

P54-56

2008年8月4日，我应邀在美国费城召开的第三十四届国际高能物理会议(ICHEP2008)上作了题为《关于中微子性质的理论综述》(Theoretical overview of newtrino properties)的大会邀请报告。这是我职业生涯中最重要的一场学术报告。按照惯例，报告之后是提问环节，但是主持人面色凝重地告诉我，他们要在提问环节之前安排一段小插曲。于是我站在讲台上，和台下的近千名听众一道获悉了令人悲伤的消息：国际著名物理学家、当代中微子振荡实验的领军人物之一户塚洋二(Yoji Totsuka)教授不幸于2008年7月10日因患肠癌去世，享年66岁。

户塬教授就是《从地底发现宇宙》一书的第一作者，他不仅参与了日本神冈中微子探测器的建造，也曾是超级神冈实验项目的领导人，为前者发现1987A超新星爆发所产生的中微子事例和后者发现神奇的大气中微子振荡现象做出了杰出贡献。为此他生前荣获了诸多奖项，也是诺贝尔奖的热门人选。2002年度的诺贝尔物理学奖得主小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)教授是户塚的学业恩师和科研合作者，他在自己的爱徒去世后痛惜地作文悼念，称：假如户塚的生命得以延续一年半左右的话，那么他一定会被授予诺贝尔奖。户塚教授的早逝，令学界同仁唏嘘不已。因为不断被医生警告说生命只剩下三个月了，户塚在离世前留下了自己的博客“第四个‘三个月’”(the fourth“three-months”)，里面详细记录了他与病魔作最后抗争的心得体会，而这也成为与他的科学精神彼此印证的另一种传奇。

2015年，姗姗来迟的诺贝尔物理学奖的桂冠被戴到了户塚的师弟兼挚友梶田隆章(Takaaki Kajita)教授的头上，以表彰他对超级神冈实验发现大气中微子振荡所做出的卓越贡献。梶田教授是《从地底发现宇宙》一书的第二作者，他在该书的增补章部分介绍了超级神冈实验是如何获得关于大气中微子振荡的无可争议的突破性成果，从而将中微予物理学带入持续了约十五年的黄金时代，直到中国的大亚湾反应堆实验于2012年成功地发现了短基线反中微子振荡模式并精确测量了最小的中微子混合角。梶田教授目前担任东京大学宇宙射线研究所的所长，他在得知自己获得诺贝尔奖之后对新闻媒体调侃道：“我理所当然要感谢中微子。由于大气中微子产生于宇宙线，我也要感谢宇宙线！”

是的，《从地底发现宇宙》所描写的正是户塚和梶田等科学家如何从观测宇宙射线入手来深刻理解宇宙本身的神奇奥秘。这本书短小精悍但却引人入胜，其文风与两位作者的导师小柴教授的自传《我不是好学生》异曲同工，值得所有爱好科学的人阅读并从中感悟科学家那种与众不同的人文情怀。

邢志忠

2017年3月9日于北京

人类仰仗着现代科学的成果，脸上满溢着已然是宇宙霸主般的得意之情；然而，人类不仅无法自如地控制太阳的能量，也无法人为地引发超新星爆炸，更无法人工地制造出那一立方厘米重达几亿吨的中子星的碎片，自不必说一厢情愿改变宇宙命运之类的想法了。对于连宇宙命运本身都无法了解的人类，这不是纯然的痴心妄想？

宇宙仍旧是一个充满了想象力的神秘所在。基础科学通过发现并破解其秘密，终有一天会造福于人类。

对于从事基础科学的研究者而言，若能有如此恢宏壮大的使命目标，岂不美哉！

拙作以我一介研究者的研究活动为基轴，记录了宇宙射线研究的过去、现在和未来。倘若大家能以轻松愉快的心情读完本书，本人已深感欣慰。

最后，我想在此深深感谢对我们的研究活动给予了莫大支持和助力的各位老师、东京大学校方，以及文部省相关的各位人士。

此外，宇宙射线研究所的福田蓉子女士和岩波书店的早坂和晃先生对我多有照顾，在此一并致以谢意。

户琢洋二

一九九五年四月