幽靈與機器

于巧峰

中微子研究是美國對新一代物理學(xué)的貢獻。

在伊利諾伊州平原深處，有一個人造洞穴，裸露的巖墻上有用白漆噴涂的一個圓圈，里面堆滿了科學(xué)設(shè)備。站在它前面，你就站在了受世界上最強中微子束輻射的道路上。這些中微子束來自附近費米實驗室的粒子加速器，費米實驗室是美國主要的粒子物理實驗室。與其他類型的加速器一樣，站在這樣的粒子束中會導(dǎo)致驚人的、致命的后果。但你們不會瞬間汽化，也不會在幾周后得癌癥或具有超能力。

這正是要點：中微子是可怕的東西。在1秒之內(nèi)，每立方厘米的空間中有數(shù)十億個中微子穿過，但因為它們只能感受到四種基本物理力中的兩種最微弱的力——重力和被恰當命名的弱核力，而感受不到電磁力和強核力，因此幾乎不與其他物質(zhì)相互作用。

盡管如此，中微子仍然是一個熱門話題，因為研究它們可能揭示標準模型之外存在的物理現(xiàn)象。這是2012年完成的粒子物理學(xué)的理論框架，當時歐洲核子研究中心的大型強子對撞機剛剛找到了希格斯玻色子。接下來，物理學(xué)的重點是在標準模型之外進行探索。2014年5月發(fā)表的一份關(guān)于美國物理學(xué)的未來的報告公布了一項計劃，準備使美國成為世界中微子研究的領(lǐng)導(dǎo)者。

中微子是有趣的，因為它們不遵守規(guī)則。標準模型顯示它們應(yīng)該是無質(zhì)量的，根據(jù)愛因斯坦的理論，這意味著它們一定是以光速運動，但不經(jīng)歷時間的流動。然而，1998年在日本完成的一項實驗表明，中微子在空間中尖嘯而過時會自發(fā)地在它們存在的三種變體中進行轉(zhuǎn)變（稱為電子、μ介子和τ中微子），這一過程被稱為振蕩。

振蕩意味著中微子經(jīng)歷時間。反過來，這意味著它們必須比光傳播得慢，因此有質(zhì)量。這是一個可以將標準模型撬開的杠桿。作為粒子物理學(xué)的老前輩，史蒂夫·溫伯格是這一模型的構(gòu)建者之一，他將中微子質(zhì)量描述為這25年以來粒子物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)。

但振蕩的細節(jié)仍不完整。目前，科學(xué)家寄希望于2014年7月開始的“新星”計劃?！靶滦恰笔且粋€實驗，旨在把這些細節(jié)明確下來。中微子束通過白色圓圈繼續(xù)在地球上穿行810千米，到達位于明尼蘇達州北部的探測器。當它到達時，其中的μ介子中微子會自行轉(zhuǎn)變成電子中微子。而“新星”將精確測量這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的頻率。

除了三個變體，中微子還有三個不同的質(zhì)量。科學(xué)家已經(jīng)知道，其中兩個是緊密匹配的，而第三個則大得多或小得多。“新星”計劃如果獲得成功，就應(yīng)該發(fā)現(xiàn)這一點，而這反過來應(yīng)該可以闡明中微子最初是如何獲得質(zhì)量的。

這一切聽起來相當有技術(shù)含量，中微子物理學(xué)也確實有一些非常重大的影響。具體來說，它可以解釋宇宙中究竟為什么存在萬物。像其他物質(zhì)一樣，中微子也有它的反物質(zhì)。眾所周知，物質(zhì)和反物質(zhì)在接觸過程中彼此湮滅。這里存在一個問題：現(xiàn)有理論認為宇宙大爆炸產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，而這意味著現(xiàn)代宇宙應(yīng)該不比湮滅輻射后的“清湯”濃多少，但事實顯然并非如。

對物質(zhì)優(yōu)勢的最好解釋是它和反物質(zhì)并不完全平等、對立。目前，一些不平等現(xiàn)象已被世人所知，涉及被稱為b介子和K介子的粒子，但它們不足以解釋物質(zhì)的量。許多物理學(xué)家認為，中微子以與它們的反中微子對應(yīng)物不同的方式進行振蕩，而且這可能起到一個足夠大的作用，可以填補這一差距并解釋宇宙為什么是它看起來的樣子。通過在中微子和反中微子之間轉(zhuǎn)換光束，“新星”實驗可以瞥見這種差異。不過，一個更加敏感的后繼實驗——計劃于2022年完工的長基線中微子設(shè)施，能夠?qū)λ鼈冞M行更全面的探索。

長基線中微子設(shè)施將通過觀察其中一個中微子與一個巨大液氬罐中的原子相互作用時發(fā)出的閃光來探測中微子。但中微子并不是導(dǎo)致這種閃光的唯一物質(zhì)。標準模型認為，幫助構(gòu)成原子核的質(zhì)子是穩(wěn)定的，但許多后標準模型理論不同意這種觀點。在他們的預(yù)測中，質(zhì)子應(yīng)該衰變成輕粒子。事實上，人們從沒有觀察到過質(zhì)子衰變成輕粒子，這表明這種情況是極其罕見的。但長基線中微子設(shè)施的34000噸液氬罐可以容納大量被加以仔細觀測的質(zhì)子。如果這些粒子真的可以自發(fā)消耗，長基線中微子設(shè)施就有很大機會定位它。

它甚至可被當作一個望遠鏡。超新星爆發(fā)會產(chǎn)生數(shù)量驚人的中微子，它們的幽靈特質(zhì)使得它們不受阻礙地逃離了爆炸的超密中心。通過記錄中微子脈沖逃離超新星的情形，長基線中微子設(shè)施與其他現(xiàn)有的中微子探測器可以讓天文學(xué)家探察到這樣的極端環(huán)境中發(fā)生了什么。

在長基線中微子設(shè)施建成之后，物理學(xué)家對亞原子世界的探索將逐步加深，他們必須利用越來越大的機器。出于設(shè)備成本的考慮，粒子物理學(xué)正越來越成為一個國際共同參與的科學(xué)。長基線中微子設(shè)施的預(yù)算是15億美元，不過這少于大型強子對撞機的90億美元成本，因此還是劃算的。