地下2 100米的偉大研究

老喬

2015年的夏天，筆者有幸參觀了薩德伯里中微子觀測站實驗室，實驗室位于加拿大東部的魁北克省的小鎮(zhèn)薩德伯里，距離多倫多約400千米。

薩德伯里是一座在100多年前因采礦業(yè)而興建起來的小城，以豐富的鎳礦聞名于世。如今漫步城中，很難想象這座美麗的生態(tài)城市曾經(jīng)遭受過重度的工業(yè)污染，近幾年才逐步恢復生機。

淡水河谷公司（Vale）的克萊頓礦區(qū)在這座城市的最西邊，那兒有加拿大最深的鎳礦礦井。礦業(yè)公司將礦井2 100米深處的一處礦道租借給了科學家們建造地下實驗室，進行粒子物理學的研究。在初期，實驗室的建造是為了開展薩德伯里中微子觀測（SNO）實驗，這也是實驗室名字的由來。在SNO實驗進行的同時，人們又擴建了實驗室，給當前和未來的實驗研究提供更大的實驗空間和更先進齊全的設備。這個實驗室里誕生了2015年諾貝爾物理學獎獲得者加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納。

說到這里，讀者們肯定會有疑問：為什么要在地底下建造實驗室？中微子是什么？為什么要探測中微子？以下就讓我們?nèi)媪私庖幌逻@個全球著名的極深地下試驗室之一的SNO實驗室。

“狡猾”的中微子到底是何方神圣？

SNO實驗的開展，是為了測量太陽中微子，因而在介紹這個實驗室之前，我們必須先要了解中微子是何方神圣，聽說是個非?！敖苹钡募一?。

中微子是一種微觀粒子，它是在核反應或放射性衰變等過程中產(chǎn)生的。在1930年，人們通過β衰變的實驗結果，首先從理論上預言了它的存在。在這個過程中，原子核內(nèi)的中子通過釋放電子和中微子轉(zhuǎn)變成了質(zhì)子（這里產(chǎn)生的電子在早期被稱為β粒子，因此這種放射性衰變稱為β衰變）。它的質(zhì)量極小，大約是電子的1/200，在空間里自由飛行時的速度接近光速。中微子不帶電，幾乎不會和日常物質(zhì)里的原子發(fā)生反應，所以它可以輕而易舉地穿過物體，如同神話里穿墻的茅山術士。中微子的這個性質(zhì)讓它很難被人們捕捉到，顯得非?！敖苹?，想象一下：在中午的時候，翹起你的大拇指，每秒鐘都會有大約幾百億個來自太陽的中微子穿過你的大拇指指甲，但是你卻沒有任何感覺。盡管捕捉中微子的難度極大，人們依舊憑借聰明才智和努力的汗水，先是在1956年的時候證實了它的存在，隨后又開展了各項捕捉和研究中微子性質(zhì)的實驗。研究中微子可以幫助粒子物理學家更好地理解基本粒子的行為，從而對物理學有更深層次的理解；另外，研究恒星、超新星的天體物理學家也對中微子情有獨鐘。

位于加拿大的SNO實驗室為什么要建在地底下呢？

太陽在熱核反應時會釋放出大量中微子，這些中微子攜帶有太陽內(nèi)核的信息，可以幫助人們認識太陽內(nèi)核的反應。為了探測太陽中微子，來自加拿大、美國和英國的科學家在地下空間里建造了這個實驗室。可是為什么要將實驗室建在地下呢？

原來，中微子在探測裝置里產(chǎn)生的信號非常微弱，在宇宙中還存在其他粒子組成的束流，稱為宇宙射線。它們的能量一般很高，與大氣層中的分子作用，又會產(chǎn)生大量其他的粒子。這些粒子的信號會干擾中微子的探測信號。但是，由于它們大部分都帶電，可以與物質(zhì)相互作用從而被吸收掉。就像核電站采用厚厚的混凝土板來阻擋反應堆里產(chǎn)生的有害射線一樣，這里把實驗室放到很深的地底下，利用實驗室上面的土壤和巖石來阻擋這些干擾射線，把這些干擾降到最低。SNO實驗室原來是世界上最深的地下實驗室（距地面約2 000米），現(xiàn)在已被中國的錦屏山地下實驗室所超越（距地面約2 400米）。

認識世界的本原，怎么這么難？

莊子云：“一尺之錘，日取其半，萬世不竭?！鼻f子認為：拿一尺長（約33厘米）的木杖，先切掉一半，然后剩下的再切一半，可以永遠切下去。然而，科學家們卻有一種信仰，莊子所設想的每天切木杖，并非“萬世不竭”，而是總有一天會到達極限，得到的是世界上最基本的物質(zhì)——組成世界的本原。我們繽紛復雜世界，最終可以還原成這種最基本的物質(zhì)的排列組合。

然而目前，電子、夸克、中微子和其他幾種微觀粒子是科學家們所發(fā)現(xiàn)的最基本的粒子。科學家們對此遠遠不滿意，依然希望能研究清楚它們的性質(zhì)和相互之間的聯(lián)系，從而找出它們背后更本質(zhì)的東西。其中，中微子有著非常神秘的性質(zhì)：早期的太陽中微子探測實驗發(fā)現(xiàn)，所探測到的太陽中微子數(shù)量大致為預測的1/3到1/2，是描述太陽核反應的理論錯了，還是“狡猾”的中微子有未知的性質(zhì)？認識世界的本原，怎么就這么難！

當時有一種理論認為，從太陽內(nèi)核產(chǎn)生的電子型中微子在飛向地球的途中會“變身”成其他類型的中微子，而之前的實驗只能測量電子型中微子，所以造成了丟失。到了1984年，加州大學的教授，美籍華人陳華生提出了一種利用 重水作為探測介質(zhì)來測量太陽中微子的實驗方案。由于不同種類的中微子和重水里的氘、電子發(fā)生反應，會產(chǎn)生三種不同的信號。通過區(qū)分和比較這些不同的信號，就可以清晰地看出電子型中微子和未知種類的中微子在數(shù)量上的比例和中微子的總量，從而解決太陽中微子問題。陳華生為了實現(xiàn)他的想法，在美國和加拿大之間奔走，最終決定利用在加拿大薩德伯里礦山中的地下空間，建造實驗室和實驗用的重水探測裝置——SNO探測器。

SNO實驗的建造和測試運行前后歷經(jīng)了18年，其中還包括了長達8年的瓶頸期。在這漫長的時間里，加拿大科學家亞瑟·麥克唐納德率領研究團隊最終在2001年完成了太陽中微子的測量，證實了中微子并未丟失，只是“變身”了，揭開了太陽中微子之謎。

還記得參觀實驗室的那天，清晨不到五點，我們便動身出發(fā)，趕6點鐘下礦的那班升降籠。在蜿蜒的小道上飛馳不久，便能看見幾根煙囪和遠處一座綠色的沒有窗戶的大廈——那是從礦井運輸?shù)V物的升降機，SNO實驗室的地面辦公樓就在它的旁邊。

隨后，管理員南茜幫我們領取裝備，指示我們進行訪客登記。我們各自領到了姓名牌和礦工裝備：一雙沉重的防護靴、頭盔、插在頭盔上的小手電和一件帶有反光物質(zhì)的連體服。懷特先生是實驗室的安全總負責人，他是一個嚴肅、沉默寡言的老人，體格健壯硬朗。在他的帶領下，我們步履蹣跚地走到對面的礦井大樓的入口處，六點鐘的時候，清脆的上工鈴聲響了。升降籠的操作員鳴笛示意，打開閘門，我們和SNO實驗室的科學家、礦工們依次進入。大家緊緊抓住扶手站穩(wěn)后，操作員再次鳴笛，開始下降。升降籠的速度可達10米/秒，耳旁呼呼成風，耳朵有一種脹痛感。十幾分鐘的時間，我們便抵達了2 100米的礦道。

懷特先生帶著我們依次進入各個工作區(qū)域進行參觀。第一個便是SNO實驗區(qū)域。目前SNO實驗正在進行升級工作，開展“SNO+”實驗。在操作間，幾位工程師正緊張地監(jiān)控著探測器的液體運行。接著是SNO探測器的控制室。在進入之前，又需要在一個類似電話亭的風淋室中，讓吹出來的風再次除塵。因為安全的原因，我們不能過去張望，親眼目睹SNO探測器。接下來參觀的分別是Picasso暗物質(zhì)實驗區(qū)和DEAP/MiniCLEAN暗物質(zhì)探測實驗區(qū)，整個過程約2小時。

返回地面，整理好行裝的時候已經(jīng)是下午4點了。薩德伯里的夏天一般為25度左右，太陽要到9點后才落山。我們在這清爽美好的夏季，進入了幽暗的地下世界，尋訪了人類因為純粹的對于真理的追求，耗費了大量人力和物力建造的實驗和實驗室，真是大開眼界。然而人類的追求永遠不會停止：目前，我國的錦屏山實驗室（2 400米）在深度上已趕超了SNO實驗室。一系列比當年的SNO探測器更大、技術更先進的實驗正在馬不停蹄地籌備中……我們要保持樂觀的精神，相信人類在解決未知的道路上所做的努力，必然會有所收獲。

人物鏈接

陳華生和亞瑟·麥克唐納德

在SNO實驗萬事俱備即將啟動實驗建設的關鍵時刻，令人遺憾的是，才44歲的陳華生卻罹患重病，在與白血病斗爭了1年后，于1987年撒手人寰，可謂“出師未捷身先死”。如今資料上很難找到他更詳細的事跡，除了他所任職的加州大學爾灣分校的檔案里有幾段簡短的介紹：陳華生，1942年生于重慶，在戰(zhàn)火中長大，經(jīng)歷了坎坷而艱辛的童年后，最終和家人輾轉(zhuǎn)到了美國。他依靠全額的獎學金，先后在加州理工大學、普林斯頓大學獲得了學位，在中微子的理論和實驗研究中取得了不少成果。

在他去世后，他的合作者，加拿大科學家亞瑟·麥克唐納德繼承了他的遺志，用無比堅毅的決心去實現(xiàn)這個實驗計劃。亞特·麥克唐納德和SNO實驗在2015年底獲得了諾貝爾物理學獎。當人們問起麥克唐納德如何克服困難和實驗成功的秘訣時，這位如今白發(fā)蒼蒼的老人滿臉笑意，和善的藍眼睛里透出了一份俏皮：“永遠保持幽默感。要把人放到合適的位置上。不要去埋怨或責備誰，去動手解決問題。”