9-2 宇宙是由什么构成的？——超级神冈探测器和J-PARC——

孩提时代，我们或许都曾仰望星空，好奇地想：“宇宙之外究竟是什么？”如今，我们大多已淡忘了这份好奇，但仍有人怀揣着这个简单的疑问，并试图通过粒子物理学来探索“宇宙的奥秘”。正如400年前伽利略·伽利莱用自制望远镜观测天体一样，现代研究人员也正利用诸如观测基本粒子的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）和发射基本粒子的日本质子加速器研究中心（J-PARC）等大型观测仪器，来探寻宇宙和物质的奥秘。

中微子是宇宙中数量无数的基本粒子，是揭开宇宙和物质奥秘的关键。由于它们极易穿过物质，因此观测起来也极其困难。1996年，超级神冈探测器建成，配备了一个容量为5万吨的超纯水储罐和11146个光电倍增管。超级神冈探测器通过探测中微子进入储罐时产生的蓝白色光环来观测中微子。光电倍增管可以探测到这些带电粒子产生的蓝白色光环。为了避免宇宙射线干扰观测，探测器安装在岐阜县神冈市地下1000米处。此外，由于中微子极少发生这种反应，因此储罐内储存了大量的水，等待中微子的出现。
1998年，超级神冈探测器的观测结果表明，此前被认为质量为零的中微子实际上具有质量。这一发现极大地推动了现有粒子物理理论的发展，使我们离揭开宇宙奥秘更近了一步，并被世界各地广泛报道。

1987年，利用超级神冈探测器的前身神冈探测器，人类首次观测到大麦哲伦星云超新星爆发产生的中微子。这一事件广为人知，小柴昌俊博士也因此荣获诺贝尔奖。当时仅探测到11个中微子事件，因此无法确定超新星爆发的具体细节。然而，之后建造的超级神冈探测器预计，如果银河系中心附近发生超新星爆发，它将能够捕获多达1万个中微子事件，从而可以对超新星爆发的机制进行深入研究。超新星爆发被誉为“宇宙之谜”，因此备受期待。

日建设计为超级神冈探测器的大型水箱设计了不锈钢内衬（涂层），并设计了支撑光电倍增管的结构。
超级神冈探测器是通过挖掘地下建造的，它是一个直径39米、深42米的大型空腔（水箱），内衬不锈钢。它由一个内部水箱和一个外部水箱组成，内部水箱内密布着高达40米的光电倍增管。

日本质子加速器研究中心（J-PARC）建于茨城县东海村。该中心拥有世界上最强大的质子束加速器之一，是涵盖从基础科学到工业应用（包括粒子物理学）等众多领域的前沿研究中心。利用330米长的直线加速器、350米周长的3GeV同步加速器和1600米周长的50GeV同步加速器，质子被加速到光速的99.98%。这些加速后的质子随后与金属和石墨碰撞，产生的二次粒子束被用于各种实验。

其中一束次级粒子束包含中微子。这些神秘的粒子——中微子，甚至可以穿透地球，正被送往位于295公里外岐阜县神冈市的超级神冈探测器。通过观测它们的状态变化，将有助于推进对宇宙起源和质量奥秘的研究。由于地球是圆的，发射器略微向下倾斜，将中微子束射向地面。据说，穿过地球的中微子束（无害）会在韩国附近某个地方突破地表。

J-PARC是一座利用高电流质子加速至高能量的装置，由于其产生的辐射强度极高，因此在设施规划、设计和建造的各个阶段都面临着诸多挑战。加速器隧道采用钢筋混凝土结构，墙体厚度为2至5米，用于屏蔽辐射。此外，还需应对各种难题，例如：加速器运行和维护过程中，由于室温变化引起的隧道结构热膨胀应力和变形；控制精密设备安装过程中产生的微振动和地面沉降；确保地面刚性；以及地下设施的防水和防渗漏措施。

尽管鲜为人知，但日研设计除了超级神冈探测器和J-PARC之外，还设计并监管了许多世界领先的科学相关设施。例如，他们设计并监管了理化学研究所计算科学中心（拥有世界最高级别的“K”计算机）以及日本海洋地球科学技术厅的地球模拟器设施（该设施在分析地壳形变机制以及气象和海洋现象方面非常有效）。

（参考）
神冈展望台主页
日本原子能机构新闻稿
村山仁志 (2013)《宇宙是由什么构成的？——用基本粒子物理学解开宇宙之谜——》幻冬舍出版社。
日建设计 (2009) 《NIKKEN SEKKEI Quarterly vol.24》 《世界领先的科学技术设施和日建设计》 日建设计