超级神冈用五万吨水，等几个几乎不存在的信号

夜里在湖里潜水，离水面两三米抬头，能看到月光在水面下折出光柱，方向清清楚楚。深水里的光有一个好处：它沿着特定角度走，不会四处乱散。中微子探测器正是利用这一点——把一个几乎不留下痕迹的粒子，变成一圈能算出方向的微弱蓝光，再靠数这些光环的形状与亮度做事。

超级神冈在日本岐阜县神冈町的矿山下约 1000 m，内层装 5 万吨超纯水，壁上约 1.1 万个直径 50 cm 的光电倍增管。中微子极少数与水作用产生的带电粒子会发出切伦科夫光，被这层「眼睛」记录下来。1998 年，它用大气中微子的分布给出了中微子振荡的证据。

一千米岩石，是为了挡掉别的粒子

宇宙线在大气里产生的 μ 子会不停穿过探测器，形成压倒性的本底。用岩石挡住它们，等效水深达到两千米以上，μ 子通量被压低几个数量级。

挡不掉的是中微子。它们几乎不与物质作用，能一路穿透地球，所以探测器必须埋得深，又必须做得足够大，才可能一年攒下几千个事件。

兆电子伏量级的中微子，作用截面只有 10⁻⁴³ 平方厘米量级。想让一年里有几千次相互作用，就得准备几万吨靶物质，这是算术决定的，不是设计偏好。

水是最实际的选择：便宜、可以提纯、光学透明，切伦科夫光产额也够。五万吨水，本质上就是五万吨可以被中微子撞上的靶。

带电粒子在水中的速度超过光在水中的相速度时，会发出切伦科夫辐射。水的折射率约 1.33，对应的锥半角约 42°。

这个锥打到壁上是一圈光环。圆心给出粒子方向，亮度给出能量，环的锐利程度还能区分电子与 μ 子。方向与粒子种类，是超级神冈能做成两件大事的技术前提。

每支倍增管把微弱光信号放大约上千万倍，做到单光子可测。一万多支铺满壁面，才能把那个 42° 的环拼出来。

代价是水质。杂质会吸收紫外光，也会带来放射性本底，循环净化系统必须持续运行，把水的电阻率维持在超纯水水平。

观测证实太阳中微子通量、大气中微子上行与下行的事件数不对称、超新星中微子（1987 年由前身神冈 II 记录），三类信号都有清晰数据支撑。

理论预言切伦科夫角由折射率与粒子速度决定；中微子振荡的存活概率随距离与能量之比变化，这个图案在观测前就算出来了，后来被数据对上。

尚未定论中微子质量顺序是正序还是倒序，至今没有确定；CP 破坏相位 δ 的测量仍在进行，各实验联合拟合还没有收敛到唯一答案。

为什么用水，不用别的？

便宜、易提纯、光学透明，切伦科夫光产额够用。重水或液氩能打开特定反应道，但成本高出一个量级，只能做小得多的装置。

中微子撞到水会发生什么？

通过弱作用产生带电轻子，或改变核子状态。带电粒子超光速飞行时发出切伦科夫光，探测器看到的是这束光的形状，不是中微子本身。

这个罐子能看到超新星吗？

能。银河系内的超新星会给出一阵持续几秒到几十秒的中微子爆发，1987A 就是这样被记录下来的，而且比光学光早到。