超級神岡探測器位於伊豆山內的一個活性鋅礦中。其不鏽鋼罐包含 50,000 噸超純水，其透明度如此之高，光線可以透過 70 米，強度才損失一半（對於游泳池來說，這個數字是幾米）。水由覆蓋牆壁、地板和天花板的 11,000 個光電倍增管進行監測。每個管都是一個手工吹制的、直徑為半米的真空玻璃燈泡。這些管子記錄了切倫科夫光的圓錐形閃光，每個閃光都表示高能中微子與水中原子核的罕見碰撞。當水箱充滿時，充氣筏上的技術人員會清潔燈泡 [右圖]。一個人的垃圾是另一個人的寶藏。對於物理學家來說，垃圾是背景——一些不必要的反應，可能來自一個平凡且廣為人知的過程。寶藏是訊號——我們希望揭示宇宙執行方式的新知識的反應。例如：在過去的二十年中，幾個小組一直在尋找質子的放射性衰變，這是一個極其罕見的訊號（如果它真的發生），它被埋在由難以捉摸的稱為中微子的粒子引起的反應背景中。質子是原子主要組成部分之一，似乎是不朽的。它的衰變將是許多人認為存在於極其成功的粒子物理學標準模型之外的 大統一理論 描述的過程的有力跡象。巨型質子衰變探測器被放置在世界各地地下的礦山或隧道中，以逃避稱為宇宙射線的粒子的持續降雨。但是無論它們進入多深，這些裝置仍然暴露在宇宙射線產生的具有穿透力的中微子中。
第一代質子衰變探測器從 1980 年到 1995 年執行，沒有看到訊號，沒有質子衰變的跡象——但在過程中，研究人員發現，當高能中微子撞擊原子核併產生帶電粒子時，本應平常的切倫科夫光錐會被髮射出來。μ子中微子[頂部]產生一個μ子，該μ子可能行進一米，並在探測器上投射出一個清晰的光環。電子中微子[底部]產生的電子產生一小簇電子和正電子，每個電子和正電子都有自己的切倫科夫錐，從而形成一個模糊的光環。綠點表示在同一狹窄時間間隔內檢測到的光。中微子背景並不是那麼容易理解。
其中一項實驗，神岡探測器，位於日本神岡，一個距離東京約 250 公里（155 英里）的礦業小鎮（按照中微子的飛行路線）。那裡的科學家和位於俄亥俄州克利夫蘭附近鹽礦中的 1MB 實驗使用靈敏的探測器觀察超純水，等待質子衰變的明顯閃光。
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這種事件將被隱藏起來，就像一根小草堆裡的針，大約有 1,000 個由中微子與水的原子核相互作用引起的類似閃光。儘管沒有觀察到質子衰變，但對 1,000 個反應的分析發現了一個真正的寶藏——令人興奮的證據表明，中微子出乎意料地反覆無常，在飛行過程中從一種型別變為另一種型別。如果這是真的，那麼這種現象與質子衰變一樣令人興奮和顛覆理論。
中微子是神奇的幽靈粒子。每秒鐘，都有 600 億個中微子，大部分來自太陽，穿過你身體（以及其他一切）的每一平方釐米。但是，由於它們很少與其他粒子相互作用，通常所有 600 億個粒子都會穿過你，而不會碰觸單個原子。事實上，您可以將這種中微子束穿過一光年厚的鉛塊，其中大多數會在末端毫髮無損地出現。像神岡探測器這樣大的探測器每年只能捕獲穿過它的中微子的一小部分。
中微子有三種類型，對應於標準模型中的三種帶電夥伴：電子及其較重的親屬，μ子和τ粒子。與原子核相互作用的電子中微子可以產生電子；μ子中微子產生μ子；τ中微子產生τ粒子。自中微子首次被提出以來的七十多年中，物理學家一直認為它們是無質量的。但是，如果它們可以從一種型別變為另一種型別，那麼量子理論表明它們很可能具有質量。在這種情況下，這些空靈的粒子可能會集體超過宇宙中所有恆星的質量。
更大的中微子陷阱
正如粒子物理學中經常出現的情況一樣，取得進展的方法是建造更大的機器。超級神岡，簡稱 Super-K，採用了神岡探測器的基本設計，並將其擴大了大約 10 倍 [參見前頁的插圖]。一組光敏探測器向 50,000 噸水的中心看去，這些水中的質子可能會衰變或被中微子擊中。在任何一種情況下，該反應都會產生粒子，這些粒子透過一種稱為切倫科夫光的藍光閃光被發現，該光由帕維爾·A·切倫科夫於 1934 年發現。就像飛機以超音速飛行會產生聲波衝擊一樣，帶電粒子（如電子或μ子）在超過其運動介質中的光速時會發出切倫科夫光。這種運動不違反愛因斯坦的相對論，相對論的關鍵速度是c，即真空中的光速。在水中，光的傳播速度比 c 慢 25%，但其他高能粒子仍然可以以接近 c 本身的速度運動。切倫科夫光沿著此類粒子的飛行路徑以錐形發射。
在 Super-K 中，帶電粒子通常只移動幾米，切倫科夫錐將光環投射到光子探測器的牆壁上 [參見插圖作者愛德華·科恩斯、梶田隆章和戶塚洋二是超級神岡合作組織的成員。科恩斯是波士頓大學的物理學教授，梶田是東京大學的物理學教授，他們領導分析團隊研究超級神岡資料中的質子衰變和大氣中微子。戶塚最近在擔任 Super-K 的發言人之後，成為日本國家粒子物理實驗室 KEK 的主任。對頁上的插圖]。這個光環的大小、形狀和強度揭示了帶電粒子的性質，反過來告訴我們產生它的中微子的情況。我們可以將電子的切倫科夫模式與μ子的切倫科夫模式區分開來：電子產生一簇粒子，導致一個模糊的光環，與來自μ子的更清晰的圓圈完全不同。從切倫科夫光中，我們還可以測量電子或μ子的能量和方向，這與中微子的能量和方向相當接近。
Super-K 無法輕易識別第三種類型的中微子，即τ中微子。這種中微子只有在能量足夠的情況下才能與原子核相互作用併產生τ粒子。μ子的質量大約是電子的 200 倍；τ子的質量大約是電子的 3,500 倍。μ子質量在 атмосферных中微子的範圍內，但只有極小一部分處於τ能量，因此混合物中的大多數τ中微子將穿過 Super-K 而未被檢測到。
實驗人員提出的最基本的問題之一是“有多少？”。我們已經建造了一個漂亮的探測器來研究中微子，第一項任務就是簡單地計算我們看到了多少。相關的問題是“我們期望有多少？”。為了回答這個問題，我們必須分析中微子是如何產生的。
Super-K 監測大氣中微子，這些中微子是在宇宙射線撞擊我們大氣層頂部時產生的粒子噴霧中誕生的。傳入的射彈（稱為原初宇宙射線）主要是質子，其中散佈著較重的原子核，如氦或鐵。每次碰撞都會產生一簇次級粒子，主要是π介子和μ子，它們在空中短暫飛行期間會衰變，從而產生中微子 [參見右側的插圖]。我們大致知道每秒鐘有多少宇宙射線撞擊大氣層，以及每次碰撞中產生多少π介子和μ子，因此我們可以預測期望有多少中微子。
比例技巧
不幸的是，這個估計僅準確到 25%，因此我們利用一個常見的技巧：通常，兩個量的比率可以比單獨的任何一個量更好地確定。對於撞擊大氣層中的原子核的 高能宇宙射線 [下方] 會產生一簇粒子，主要是π介子。π介子的衰變序列為每個電子中微子產生兩個μ子中微子。從相反方向應該看到相同的 中微子率 [上方]，因為它們都是由以相同天頂角撞擊大氣層的宇宙射線產生的。當長距離行進的μ子中微子有時間改變型別時，這兩個比率都會被破壞。當π介子衰變時，量子波如何使中微子振盪 [左上]，它會產生一箇中微子。在量子力學上描述，中微子顯然是兩個不同質量的波包的疊加 [紫色和綠色]。波包以不同的速度傳播，較輕的波包位於較重的波包之前。隨著這種情況的進行，波會發生干涉，干涉模式控制著沿飛行路徑在任何點最有可能檢測到哪種型別的中微子——μ子（紅色）或 τ [藍色]。像所有量子效應一樣，這是一個機會遊戲，機會非常傾向於在它產生的地方附近的μ子中微子。但機率會來回振盪，在合適的距離偏向τ中微子，並返回到更遠的地方偏向μ子中微子。當 中微子最終在探測器中發生相互作用時 [右上]，就會擲出量子骰子。如果結果是μ子中微子，則會產生μ子。如果機會偏愛τ中微子，並且 中微子的能量不足以產生τ粒子，則 Super-K 不會檢測到任何東西。----E.K.、T.K. 和 Y.T. Super-K 中，關鍵是π介子依次衰變成μ子和μ子中微子，然後μ子衰變成電子、電子中微子和另一個μ子中微子。無論有多少宇宙射線落在地球大氣層上，或者它們產生多少π介子，每個電子中微子應該有大約兩個μ子中微子。計算比這複雜，但最終的預測比率準確到 5%，提供了更好的基準。
在計算了將近兩年的中微子後，Super-K 團隊發現μ子中微子與電子中微子的比率約為 1.3 比 1，而不是預期的 2 比 1。即使我們擴大我們對中微子通量、它們如何與原子核相互作用以及我們的探測器如何響應的假設，我們也無法解釋如此低的比率——除非中微子正在從一種型別變成另一種型別。
我們可以再次使用比率技巧來檢驗這個令人驚訝的結論。我們第二個比率的線索是要問有多少中微子應該從每個可能的方向到達。原初宇宙射線幾乎從所有方向均等地落在地球大氣層上，只有兩種效應會破壞均勻性。首先，地球的磁場會偏轉一些宇宙射線，尤其是低能射線，從而扭曲了到達方向的模式。其次，掠過地球的宇宙射線會產生不深入大氣層的中微子簇，這些中微子簇的形成方式可能與從上方直接墜入的宇宙射線不同。
但幾何學拯救了我們：如果我們從垂直方向向上看天空，然後再以相同的角度向下看地面，我們應該看到來自每個方向的相同數量的中微子。這兩組中微子都是由宇宙射線以相同的角度撞擊大氣層產生的；只不過一種情況是碰撞發生在頭頂上方，另一種情況是碰撞發生在地球的另一側。為了利用這一事實，我們選擇能量足夠高的中微子事件（這樣它們的母體宇宙射線就不會被地球磁場偏轉），然後將向上運動的中微子數量除以向下運動的中微子數量。如果沒有任何中微子改變味道，這個比率應該正好是 1。 沃爾夫岡·泡利透過假設一種看不見的粒子帶走某些放射性衰變中缺失的能量，從而拯救了能量守恆定律。恩里科·費米提出了結合泡利粒子的 β 衰變理論，現在稱為中微子（在義大利語中意為“小中性粒子”）。弗雷德里克·萊因斯（中心）和克萊德·考恩首次使用薩凡納河核反應堆探測到中微子。在布魯克海文，第一個加速器中微子束證明了電子中微子和μ中微子之間的區別。雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis, Jr.）首次測量了來自太陽的中微子，他在南達科他州霍姆斯特克的礦井中使用 600 噸清潔液。
正如預期的那樣，我們看到向上和向下運動的高能電子中微子的數量相等，但向上運動的μ中微子的數量只有向下運動的一半。這一發現是中微子正在改變身份的第二個跡象。此外，它為這種變形提供了線索。向上運動的μ中微子不可能變成電子中微子，因為沒有多餘的向上運動的電子中微子。那就剩下τ中微子了。變成τ中微子的μ中微子穿過超級神岡而不發生相互作用，也無法被探測到。
多變的“味道”
以上兩個比率有力地證明了μ中微子正在轉變成τ中微子，但為什麼中微子會改變味道呢？量子物理學用波來描述粒子在空間中的運動：除了質量和電荷等特性外，粒子還具有波長，可以發生衍射等等。此外，一個粒子可以是兩個波的疊加。現在假設這兩個波對應於略微不同的質量。然後，當波傳播時，較輕的波會超前於較重的波，並且這些波會以一種沿粒子軌跡波動的方式發生干涉[請參閱對頁的方框]。這種干涉有一個音樂上的類似物：當兩個音符幾乎但不完全相同時出現的拍頻。在超級神岡觀測到的不同軌跡上到達的高能μ中微子的數量，與包含中微子振盪的預測 [綠色] 明顯匹配，而與無振盪預測 [藍色] 不匹配。向上運動的中微子 [在圖的左側繪製] 已經傳播了足夠的距離，使它們中的一半改變了味道並逃脫了探測。
在音樂中，這種效應會使音量發生振盪；在量子物理學中，振盪的是探測一種或另一種型別的中微子的機率。起初，中微子以 100% 的機率表現為μ中微子。在傳播了一定的距離後，它看起來像一個具有 100% 機率的τ中微子。在其他位置，它可能是μ中微子或τ中微子。
對於一個粒子來說，這種振盪聽起來像是奇怪的行為，但另一個熟悉的粒子也會進行類似的扭曲：光子，光粒子。光可以以多種偏振方式出現，包括垂直偏振、水平偏振、左旋圓偏振和右旋圓偏振。這些偏振方式的質量不同（所有光子都是無質量的），但在某些光學活性材料中，左旋圓偏振的光比右旋圓偏振的光傳播得更快。具有垂直偏振的光子實際上是這兩種替代方案的疊加，當它穿過光學活性材料時，它的偏振會旋轉（即振盪），從垂直到水平等等，因為它的兩個圓形分量會失去同步。
對於我們在超級神岡看到的這種中微子振盪，不需要光學活性材料；兩個中微子分量之間足夠的質量差異會導致味道振盪，無論中微子是穿過空氣、固體岩石還是純真空。當中微子到達超級神岡時，它的振盪量取決於它的能量和它傳播的距離。對於向下運動的μ中微子，它們最多傳播了幾十公里，只發生了一小部分的振盪週期，因此中微子的味道略有改變，我們幾乎可以肯定地探測到它們最初的μ中微子味道。向上運動的μ中微子，產生於數千公里之外，經歷瞭如此多次的振盪，以至於平均只有一半可以被探測為μ中微子。另一半以無法探測的τ中微子的形式穿過超級神岡。中微子天文學：1MB 和神岡質子衰變實驗探測到來自大麥哲倫星雲的超新星 1987A 的 19 箇中微子。在 SLAC 和 CERN 精確測量了 Z 衰變率，表明只有三種活躍的中微子世代。超級神岡利用大氣中微子收集了中微子振盪的證據。在費米實驗室探測到了τ中微子事件，其中關鍵證據來自安大略省的薩德伯裡中微子天文臺，該天文臺於 1962 年開始執行。解決了太陽中微子難題，其中關鍵證據來自安大略省的薩德伯裡中微子天文臺實驗。中微子可能佔有與所有恆星加起來幾乎相等的質量。
這僅僅是一個粗略的描述，但是基於味道比率和上下事件率的論證是如此令人信服，以至於中微子振盪現在被廣泛接受為我們資料的最可能解釋。我們還對μ中微子的數量如何根據中微子能量和到達角度變化進行了更詳細的研究。我們將測量的數量與各種可能的振盪情景（包括無振盪）的預期進行了比較。資料與無振盪預期完全不同，但與某些質量差異和其他物理引數的中微子振盪非常吻合[請參閱前頁的插圖]。
透過我們最初兩年的實驗獲得的約 5,000 個事件，我們能夠消除任何關於大氣中微子異常數量可能只是統計偶然性的猜測。但透過其他實驗或技術尋找相同的μ中微子振盪來證實這種效應仍然很重要。明尼蘇達州和義大利的探測器已經提供了一些驗證，但由於它們測量的事件較少，因此無法提供相同的確定性。
佐證證據
進一步的支援來自對另一種大氣中微子相互作用的研究：與我們探測器周圍岩石中的原子核發生碰撞。電子中微子再次產生電子和隨後的粒子簇射，但這些粒子在岩石中被吸收，永遠不會到達超級神岡的洞穴。高能μ中微子產生高能μ子，它們可以穿過數米的岩石並進入我們的探測器。我們計算來自向上運動中微子的這種μ子 - 向下運動的μ子被穿透池山的山的宇宙射線μ子背景所掩蓋。
我們可以計算出從直接向上到幾乎水平方向到達的向上運動的μ子。這些路徑對應於中微子傳播距離（從在大氣層中產生到在超級神岡附近產生μ子）短至 500 公里（水平看時到大氣層邊緣的距離）長至 13,000 公里（垂直向下看時地球的直徑）。我們發現，長距離傳播的較低能量的μ中微子的數量比短距離傳播的較高能量的μ中微子的數量減少得更多。這種行為正是我們從振盪中期望的，仔細的分析產生的中微子引數與我們最初的研究相似。
如果我們只考慮三個已知的中微子，我們的資料告訴我們，μ中微子正在變成τ中微子。量子理論認為，振盪的根本原因幾乎可以肯定的是，這些中微子具有質量 - 儘管 70 年來人們一直認為它們沒有質量。（對頁的方框中提到了一些其他情景。）
不幸的是，量子理論還將我們的實驗限制為只能測量兩個中微子分量之間的質量平方差，因為這決定了振盪波長。它對任何一個的單獨質量都不敏感。超級神岡的資料給出的質量平方差在 0.001 到 0.01 電子伏特（eV）平方之間。鑑於其他已知粒子的質量模式，很可能有一箇中微子比另一個輕得多，這意味著較重的中微子的質量在 0.03 到 0.1 eV 的範圍內。這意味著什麼？
首先，賦予中微子質量不會破壞標準模型。構成每個中微子的質量態之間的不匹配需要引入一組所謂的混合引數。在夸克中長期以來觀察到少量這種混合，但我們的資料表明中微子需要更大程度的混合 - 任何成功的新理論都必須適應的重要資訊。
其次，0.05電子伏特仍然非常接近於零，與其他粒子相比。（其中最輕的粒子是電子，質量為 511,000 電子伏特。）因此，長期以來認為中微子質量為零是可以理解的。但是，希望構建大統一理論的理論家們，他們希望在極高的能量下優雅地結合除引力之外的所有力，也會注意到中微子的這種相對輕質。他們經常採用一種稱為蹺蹺板機制的數學工具，該機制實際上預測如此小的但非零的中微子質量是自然的。在這裡，一些極其重粒子的質量，也許在大統一質量尺度上，提供了將非常輕的中微子與重達十億到萬億倍的夸克和輕子分開的槓桿作用。日本和美國正在計劃進行長基線中微子振盪實驗。來自加速器的中微子束將在數百公里之外被探測到。這些實驗應證實振盪現象並精確測量控制它的自然常數。其他難題，其他可能性粒子物理學家們一直在忙於整理其他中微子質量的跡象。30多年來，科學家們一直在捕獲太陽中核聚變過程產生的電子中微子。這些實驗總是計數的到的中微子少於最佳模型預測的。超級神岡也計算了太陽中微子，發現只有預期數量的約 50%。如果太陽中微子正在改變味，那麼這種不足是可以理解的，因為在太陽能量下，超級神岡對電子味有反應，而主要忽略那些轉化為μ子或τ味的粒子。然而，位於安大略省的薩德伯裡中微子天文臺 [SNO]，它使用 1,000 噸重水，最近在證明這種變化方面取得了突破。重水允許 SNO 測量中微子的總數（電子、μ子和τ）以及單獨的電子中微子的數量，結果表明總數要大得多。核算似乎平衡了。看起來與太陽中微子相關的質量分裂遠小於大氣中微子的質量分裂。這符合這樣一種情況：三種口味的中微子分佈在三種不同的中微子質量上。但是，這個畫面並沒有考慮到在中微子振盪方面的暗示，即在洛斯阿拉莫斯國家實驗室檢測到的更大的質量。當費米實驗室檢查這一特徵時，一些奇異的解釋正在等待著。物理學家們也在檢查轉換太陽中微子的理論。在與超級神岡相同的鋅礦中的一個洞穴中，建造了一個探測器，該探測器使用 1,000 噸摻有化學物質的礦物油，該化學物質在對中微子反應時會發光。該探測器計數來自 80 至 400 公里外二十多個日本核電站的電子中微子。正在將結果與每個反應堆預期的中微子數量的精確模型進行比較。這項實驗應該確定由太陽中微子揭示的詳細粒子物理學。總的來說，我們對中微子的看法才剛剛開始清晰。更清晰的認識將依賴於更雄心勃勃的專案。在本世紀後期，超級神岡將暴露在日本太平洋沿岸附近建造的強度更高的加速器產生的中微子束中。目標是驗證μ子中微子以符合我們新發現期望的比例改變為τ和電子中微子。後續測量可能會揭示中微子在宇宙物質-反物質不平衡中的作用。或者我們可能會遇到新的難題需要解決。--E.K.，T.K. 和 Y.T.
另一個含義是，在宇宙質量的記賬中應考慮中微子。一段時間以來，天文學家一直在試圖列表計算在發光物質（如恆星）以及難以看到的普通物質（如褐矮星或彌散氣體）中發現的質量。還可以從星系的軌道運動和宇宙的膨脹率間接測量質量。直接核算比這些間接測量少 20 倍。我們的結果表明的中微子質量太小，無法單獨解決這個謎團。然而，大爆炸期間產生的中微子遍佈太空，其質量可能幾乎等於所有恆星的總質量。它們可能會影響大型天文結構（如星系團）的形成。
最後，我們的資料對兩個新實驗具有直接影響。根據早期來自較小探測器的提示，許多物理學家已經決定停止依賴來自宇宙射線的自由但不可控制的中微子，而是使用高能加速器創造它們。即便如此，中微子也必須傳播很長的距離才能觀察到振盪效應。因此，中微子束對準數百公里外的探測器。一個探測器 MINOS 正在明尼蘇達州蘇丹的一個礦井中建造，用於研究從芝加哥郊外的巴達維亞附近的費米實驗室加速器傳送的中微子，距離為 730 公里。
當然，一個好的大氣中微子探測器也是一個好的加速器中微子探測器，因此在日本，我們正在使用超級神岡來監測 250 公里外的 KEK 加速器實驗室產生的中微子束。與大氣中微子不同，光束可以開啟和關閉，並且具有明確的能量和方向。最重要的是，我們在光束的起源附近放置了一個類似於超級神岡的探測器，以表徵μ子中微子在振盪之前的特性。我們本質上（再次）使用近源計數與遠源計數的比率來消除不確定性並驗證效果。自 1999 年以來，來自第一個長距離人工中微子束的中微子穿過了日本的山脈，其中 50,000 噸的超級神岡捕獲了少量。究竟捕獲了多少將是這個故事的下一章。
進一步探索 尋找質子衰變。J. M. LoSecco，Frederick Reines 和 Daniel Sinclair，《大眾科學》，第 252 卷，第 6 期，第 54-62 頁；1985 年 6 月。難以捉摸的中微子：亞原子偵探故事。尼古拉斯·索洛梅。大眾科學圖書館，W.H.弗里曼公司，1997 年。官方超級神岡網站：www-sk.icrr.utokyo.ac.jpdocsk K2K 長基線中微子振盪實驗網站：neutrino.kek.jp 波士頓大學的超級神岡網站：hep.bu.edu~superk