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作者：王子敬特聘研究員、李浩斌博士後研究學者（本院物理研究所）

中央研究院於今（2026）年4月23日舉辦「臺灣橋梁計畫」的第10場講座，邀請了2015年諾貝爾物理學獎得主、日本東京大學宇宙射線研究所（Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo）梶田隆章（Takaaki Kajita）教授蒞臨，講題為「基礎科學之國際合作：實務經驗分享（International Collaboration in Basic Science-From My Experience）」。

梶田教授亦於4月24日假物理研究所，以「日本神岡地下實驗室的故事（The Story of the Kamioka Underground Research Facilities）」為題發表科普演講。兩場活動皆吸引許多院內、外聽眾熱情參與。

透過兩場演講，聽眾不僅得以認識基礎粒子物理的最新發展，更從大型科研設備的建置歷程，以及國際間互補合作的關係中，看見一個極具啟發性及標竿性的案例。此外，物理所更於24日演講前，籌劃一場中文「導賞講座」，引導聽眾掌握該場演講的講題脈絡與核心概念，與會者均對此規畫給予正面回饋。

神岡地下實驗設施的研究成果與其國際合作的發展，為梶田教授兩場演講的主軸內容。演講中，他分享科學如何跨越國界與文化，促進彼此理解與合作，並以微中子與重力波的研究為例，說明人類如何拓展對宇宙的認識，帶領聽眾重新思考科學如何成為連接世界的橋梁。

1970年代，「統一場論」曾預測質子會發生衰變，而1983年建立的神岡實驗（Kamiokande = Kamioka-nucleon-decay）正是在這樣的科學背景下誕生。Kamiokande是一座位於日本神岡，擁有3000噸純水水槽的大型實驗室，用以偵測質子衰變產生的高能量粒子，例如：正電子和中性π0子。這些粒子會因為速度比水中的光速快而產生的「契忍可夫輻射」（Cherenkov radiation）並且被Kamiokande偵測器的1000個光電倍增管偵測到。然而，從Kamiokande開始，到往後數代全球的實驗，至今仍未偵測到質子的衰變。

契忍可夫輻射的偵測原理也適用於微中子撞擊到水之後產生的高能電子（雖然能量只有質子衰變的1/100）。Kamiokande建造期間，也證明了日本Hamamatsu公司，具備量產高品質、大面積的光電倍增管的能力。
在此基礎上，小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）教授提出改良實驗、偵測低能量事例的構想，以同時探測太陽微中子。有了尖端技術與重要的科學目標，美國的研究團隊很快的加入合作。Kamiokand由日本國內研究項目，發展成國際性的實驗。發展下代的超級神岡（Super-Kamiokande）實驗，更是一個國際合作的重要典範。

Kamiokande實驗運作一個月後，於1987年2月便測量到來自1987A超新星爆炸的微中子訊號，小柴昌俊教授因此獲得2002年諾貝爾物理學獎。小柴教授回述「我們確實幸運，但幸運是給準備好的人。」恰好道出科學研究的本質。

雖然Kamiokande或其他實驗始終未發現質子衰變，但科學家仍需要徹底瞭解並測量可導致誤判的背景事例。宇宙射線與地球表面大氣層的交互作用，產生大氣微中子，可穿越地球至神岡地下實驗室。Kamiokande 實驗，察覺本是背景的大氣微中子數據有異常，促使蓋了下代更龐大、更精準的Super-Kamiokande 實驗。相較於Kamiokande實驗室，Super-Kamiokande是座擁有五萬噸純水和13000個大面積光電倍增管的超大型的契忍可夫輻射探測器，在微中子物理研究上提供了不可抹滅的重要貢獻，尤其是驗證了「微中子振盪這一理論」。

微中子有極強的穿透率，幾乎不與一般物質有交互作用，也因此Super-Kamiokande探測器需要五萬噸的水來提高微中子被偵測到的機率，而來自地球不同區域的大氣微中子，也幾乎會數量無損、均勻分布的到達神岡地下實驗室。因此觀察不同角度的微中子的數量、可以看出不同行徑距離的微中子與預測的差異。1990年代的Super-Kamiokande實驗，探測到來自正上方短距離的電子微中子和μ子微中子的數量與預測的一致；而來自其他角度的μ子微中子則出現減少，尤其來自實驗室正下方、行經距離最長的μ子微中子，數量缺失最為明顯。這數據證明了μ子微中子會隨行徑的距離長短而丟失，最佳解釋的理論就是微中子振盪：微中子只要有質量，就會在行進過程中，從某一「家族」（型態）的微中子變成另一家族的微中子。

探尋宇宙奧秘的研究，持續在全球同步發展。1960年代，科學家發現實驗室裡測量到的太陽微中子比太陽標準模型預估的要少。到了1980年代，Kamiokande實驗藉契忍可夫輻射具方向性的特性，證明太陽確實產出微中子，而且數量有短缺，排除了其他物理訊號的解讀。2000年代加拿大的SNO實驗，透過三種不同偵測微中子的方法，證實來自太陽電子微中子減少的數量，剛好就是多出來的μ子微中子和τ子微中子的數量。這數據解答了困擾粒子物理學界40多年的「太陽微中子問題」，也驗證微中子振盪理論，並以實驗數據證明微中子具有質量，推翻原本認為微中子並沒有質量的理論。Super-Kamiokande實驗的梶田隆章教授與SNO實驗的Arthur McDonald教授，因發現微中子振盪、證明微中子具有質量，共同獲頒2015年諾貝爾物理學獎。

Kamiokande實驗於神岡地下實驗室另闢更大空間，升級為Super-Kamiokande；原探測器騰出的空間，則發展成2000年代的KamLAND液態閃爍體實驗，測量來自附近核能發電廠的微中子，再次驗證微中子振盪，並進一步測量能量與距離對振盪幅度的影響。此外，Super-Kamiokande探測器也是T2K實驗的一部分。該實驗測量來自295公里外J-PARC加速器所產生的微中子，屬於長基線微中子振盪實驗。未來，T2K實驗將升級為下一代神岡實驗Hyper-Kamiokande。這座更大型的契忍可夫輻射探測器，體積約為Super-Kamiokande的20倍，預計於2028年開始運作並進行資料蒐集。

從2000年代開始，梶田教授參與日本KAGRA（Kamioka Gravitational Wave Detector）重力波實驗。該計畫同樣設於神岡地下實驗室，建置一座長達3公里×3公里的大型儀器設施。KAGRA也是一項多國合作的實驗計畫，並與美國LIGO及歐洲Virgo重力波實驗同步合作，共同分享與分析實驗數據。

神岡地下實驗室的一系列研究，豐富了人們對基礎粒子物理學的理解。它成功觀測來自超新星、太陽與地球的微中子，更從大氣微中子的測量中，首次發現微中子振盪的重要實驗證據，進而揭示微中子具有質量，也顯示粒子物理標準模型仍需進一步檢驗與修正，並讓小柴昌俊教授及梶田隆章教授分別獲得諾貝爾物理學獎。除了推動研究課題持續發展外，神岡計畫開創性的成果，也激勵並帶動世界——特別是亞太地區——粒子物理朝向大型設施與國際合作的研究模式發展。在推動基礎科學多元、共融與永續發展上，也留下深遠影響。

在「臺灣橋梁計畫」的演講中，梶田教授以這段話作結：「Even amidst the outrageous actions of politicians lacking humanity, I believe that scientists should work together to advance science and show what humanity should be.（即使面對缺乏人文關懷的政治環境與令人震驚的作為，我仍相信科學家應攜手合作，共同推動科學發展，並展現人性應有的價值。）」
以科學內容與研究方法作為橋梁，引領大眾思考更深、更廣、更長遠的議題，這正是「橋梁講座」系列的精神。