規模浩大的微中子實驗
我叫做多田，請多多指教。
我目前任職於日本高能加速器研究機構的研究室，本部和我的辦公室位於茨城縣筑波市，但白天我會待在同樣位於茨城縣，距離75公里遠東海村的J-PARC實驗設施工作。
以下，我想要邊介紹該實驗設施進行的實驗，邊講解本次的演講主題微中子這個基本粒子，談談它究竟是什麼東西。
J-PARC是個複合設施，能夠同時進行複數實驗，其中我參與的微中子實驗被取名為T2K。實驗的概要如下：先在J-PARC人工生成微中子，將該微中子射向西方距離三百公里遠的岐阜縣神岡町，名為超級神岡探測器的微中子偵測器。因為是從東海村到神岡〈TokaitoKamioka〉，所以取名為T2K實驗。
在三百公里的飛行距離中，微中子會發生某種變化。本實驗就是透過觀測該變化，來調查微中子的性質。
如圖1所示，這不是一般關在實驗室裡進行的「實驗」，而是將地球本身當作實驗室的大規模實驗。能夠進行如此浩大的實驗，都多虧了稍後會詳細解說的微中子特殊性質。雖然這次不會深入提及J-PARC，但會稍微詳細說明基本粒子中的微中子性質，講解這個「變化」是什麼、具有什麼樣的意義，以幫助各位瞭解基本粒子物理學究竟在講些什麼。
自然界的結構
首先，先來談談什麼是基本粒子、什麼是微中子。
我所屬的單位是「高能加速器研究機構基本粒子原子核研究所」，專業是基本粒子物理學，由於接著要談的是世人不熟悉的領域，需要向初次聽聞的人說明「什麼是基本粒子」。自然科學分有各式各樣的領域，其分類方法之一是依據「處理概念的規模」來區分。以下試著將自然界分解為不同規模的階層吧。
從宇宙到人類
自然界中最大的概念是宇宙，人類能夠觀測的宇宙規模為1,000,000,000,000,000,000,000,000,000公尺，總共有27個零，龐大得無法想像。
那麼，宇宙是由什麼構成的呢？來試著分解宇宙的構成要素吧！
宇宙是由稱為銀河的概念所構成，研究宇宙、銀河的學問是宇宙物理學。
其次，銀河是由什麼構成的呢？銀河是由如我們所居住的太陽系，也就是稱為恆星系的概念所構成。恆星系是以如太陽自行反應〈核融合反應〉發光的恆星為中心，周圍繞著無法自己發光的行星。恆星系分解後，就會分成如剛才提到的恆星、行星等個別星體。我們居住的地球也是這種行星之一，直徑為10,000,000公尺。討論到地球時，零變少了許多。處理太陽系星體的學問是行星物理學，而處理地球的領域則是地球物理學。
至於生存在這個地球上的人類，大小為一公尺左右。
從人類到原子
接著，人類是由什麼構成的呢？試著將人類分解成更小的階層吧。
把人類分解後，可零散地分為內臟，內臟大小約為0.1公尺，研究人類、內臟的學問是醫學。
內臟是由什麼構成的呢？內臟是由稱為細胞的物質所構成。典型的細胞大小為十萬分之一公尺，雖然肉眼無法看見，但可用光學顯微鏡來觀察。之所以會說典型，是因為細胞的大小會因種類而異。
構成身體的細胞就是剛才提到的典型細胞，但也有大到肉眼可以看見的細胞，比如蛋的卵黃就是一個細胞。研究到細胞大小的學問是生物學。
那麼，細胞是由什麼構成的呢？細胞是由名為分子的物質所構成。研究到分子大小的領域是化學。我們來試著分解分子吧！
由上圖明顯可知，分子是由眾多顆粒聚集而成，每個顆粒是稱為原子的物質。原子的大小為一百億分之一公尺，可見光的波長約為一千分之一公尺，使用光學顯微鏡也無法看見。所謂的「看見」，是用探尋工具〈光學顯微鏡的話為可見光〉打到對象物上，所以比對象物還大的工具，無法個別打到對象物上，也就無法「看見」。
原子的結構
接著來分解原子，觀察裡面的構造。「原子」這個名字，意為世間萬物的源頭。世上的物質是由各種原子組合而成，沒有新的原子產生，也沒有原子會消滅。
實際上，化學的世界是以原子為基本單位，即便發生化學反應，也僅是原子的組合改變，原子本身並沒有變化。所以，過去的鍊金術〈比如從水銀生成黃金〉明顯是一種詐欺。這個認知一直到十九世紀末都被認為是正確的。然而，在十九世紀末，發現各原子內部還有其他東西，原子並不是萬物源頭的基本單位。而且，令人驚訝的是，原子內部幾乎都是空的！人們發現其結構如同太陽系，中心有著相當於太陽的內核，周圍環繞相當於行星的東西。中心相當於太陽的部分稱為原子核，周圍環繞相當於行星的東西則稱為電子。圖4是示意圖，為了方便解說，原子核刻意畫得比較大，但實際大小僅有整個原子的十萬分之一，極其微小。比如，假設這間演講會場是一個原子，則原子核的大小會比放置在會場中央的自動鉛筆筆芯〈的直徑〉還要小。
這樣想來，原子內部真的是空蕩蕩的，說是一無所有也不為過。然而，大家身邊的東西─全都是由原子聚集而成─實際觸摸就知道是實心物體，完全不是空蕩蕩的。
請摸摸看自己的身體、衣服、椅子等。真的很不可思議，明明原子內部是空蕩蕩的，聚集起來卻形成了實心物體。為什麼會發生這樣的現象呢？祕密正潛藏於原子的結構。
前面提到，原子如同太陽系，是電子環繞原子核周圍的結構，這個電子正是關鍵所在。電子不單單僅是行星而已，如同「電子」的名稱帶有電力〈電荷〉，呈現－〈負〉的電荷。跟原子的種類無關，所有原子的外側都包覆著電子，也就是－的電荷。相同種類的電荷〈這個例子是－電荷〉會彼此排斥，原子藉由排斥作用保持形狀。我現在之所以能像這樣拿著手機，就是因為包覆手掌表面原子的電子，與包覆手機表面原子的電子彼此排斥〈圖5〉。如果少了這股彼此排斥的力量，我的手、手機應該會是空蕩蕩的，沒有辦法拿起手機。世間物質能夠保持形狀，其實是因為電子帶有電力、電磁力。大家在國高中物理的力學課程中，應該學過阻力、張力、應力、摩擦力等各種不同的力，但若追本溯源，除了重力，其餘皆為電磁力。
電荷與電場
這邊來講點題外話，來稍微深入討論電荷吧。
大家的推特〈Twitter〉應該有不同職業、興趣、年齡的跟隨者吧。他們感興趣的人事物也富有多樣性吧。而跟隨者感興趣的對象愈多樣，大家對推文的反應也會有所不同。如果是政治推文，跟隨者A和B就會轉推；若張貼有趣圖像，跟隨者A和B沒有反應，但跟隨者C和D反而會按讚。以下以張貼貓咪圖像為例來討論。張貼可愛貓咪的圖像時，愛貓跟隨者、厭貓跟隨者都會對貓咪圖像做出反應〈圖6〉，而對貓咪不感興趣的跟隨者，會直接無視推文。以下將愛貓〈或者厭貓〉的特性稱為「貓荷」。此時，對帶有貓荷的跟隨者來說，動態時報會因貓咪圖像的張貼而發生變化；但對不帶貓荷〈對貓咪不感興趣〉的跟隨者來說，動態時報等同沒有發生變化。這個僅對帶有某特性〈荷量〉者才會產生影響的空間〈變化〉，稱為「場」。
換言之，這邊存在僅對帶有貓荷的人、愛貓〈或者厭貓〉者帶來影響的「貓場」，而對貓咪不感興趣、不帶貓荷的人來說，相當於不存在貓場。
張貼貓咪圖像後，帶有貓荷的跟隨者未必會一同做出反應。我發布的無趣推文很少有人轉推，但極為少數的情況下，會出現轉推數千次的情況。此時，即便最初推文已經發布數日，仍舊會慢慢持續地被轉推出去。對貓咪圖像的反應也是如此，隨著時間經過逐漸擴散，從身邊的人〈親近的人〉依序反應，不久便傳至遠方的人〈不親近的人〉。看見貓咪圖像感到興奮的狀態，逐漸傳播開來。狀態的變化是逐漸傳播，這正是所謂的波。我們就將傳播興奮的情況稱為「貓波」吧。
無限傳播的貓咪圖像與僅在朋友間流傳的話題
這樣的情況換至電的世界，則貓荷是電荷、貓場是電場〈或者電磁場〉，貓波相當於電磁波。
如同對不帶貓荷的人來說，無論張不張貼貓咪圖像，動態時報皆沒有變化，對不帶電荷的物體來說，無論附近有沒有電荷或者有無電磁波，空間皆沒有變化；但對帶有電荷的物體來說，空間明顯有所不同，可以看作是電場出現變化。在這邊，「貓荷」分為「愛貓」和「厭貓」兩種類型，電荷也分為+〈正〉和–〈負〉兩種，如同「愛貓」和「厭貓」對貓咪圖像產生完全相反的反應，+和–的反應也是完全相反。
推特是向全世界發送訊息的社群軟體，貼文會在全球擴散開來，收到來自其他國家的回覆。推文會擴散到什麼程度，要視傳播手段的抵達能力而定。貓咪的可愛是世界共通的，所以貓波能夠跨越國界散播全球。但是，朋友之間前陣子出遊的話題，就僅能在朋友之間傳播，影響的範圍狹小有限。
電磁波跟貓波一樣，有傳播至無限遠的能力，所以電磁波產生的影響力、電磁力，能夠波及至無限遠。重力也同樣能夠影響到無限遠。
另一方面，也存在僅能影響限定範的力，這個稍後再來說明。
不過，雖然說是貓波傳播，但實際交換的是貓咪圖像本身。A張貼的貓咪圖像，B下載至自己的手機。如此，「貓波傳播開來」也可說是「〈帶有貓荷者〉交換貓咪圖像」〈圖7〉。在電磁波世界也是如此，「電磁波傳播開來」可說成「〈帶有電荷者〉交換電磁波」。此時，如同貓波可換成貓咪圖像，電磁波也可視為「光子〈Photon〉」，電波傳播是「〈帶有電荷者〉交換光子」。
一直談論貓咪的話題，可能會讓不帶貓荷的人覺得被冷落，我們回來討論原子吧。
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