狩獵幽靈的地下實(shí)驗(yàn)室

米德

注滿純水的日本超級神岡中微子探測實(shí)驗(yàn)室

南極的阿蒙森-斯科特冰立方中微子觀測站

2011年8月，深圳大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室。兩個直徑5米、高5米、重110噸的中微子探測器成功安裝在巨型水池之中，水池已逐步灌滿超純水。

“幽靈”是何方神圣？

我們的宇宙產(chǎn)生于137億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸在一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生了無數(shù)的中微子。宇宙大爆炸初期，由于光子無法擺脫引力外逃，而中微子卻與物質(zhì)不發(fā)生任何作用，可以暢行無阻。所以，它們攜帶了比光更早的宇宙信息走到了現(xiàn)在。由于中微子難以探測，所以被科學(xué)界稱之為“幽靈粒子”。

科學(xué)家相信，宇宙在大爆炸之初，同時產(chǎn)生了物質(zhì)世界和反物質(zhì)世界，只是反物質(zhì)后來消失了。它消失到哪里去了？要揭示反物質(zhì)世界的消失之謎，就要從現(xiàn)存的物質(zhì)世界中找尋蛛絲馬跡，而科學(xué)家普遍認(rèn)為，廣泛存在于物質(zhì)世界中的中微子，就包含了反物質(zhì)世界是如何消失的重大信息。

誰發(fā)現(xiàn)了“幽靈”？

因?yàn)橹形⒆釉诨玖Ｗ永碚撝械闹匾匚缓驮谔煳挠^測中扮演著特殊角色，對中微子的研究雖然很困難，但一直吸引著科學(xué)家。

中微子的發(fā)現(xiàn)來自19世紀(jì)末20世紀(jì)初對放射性的研究。研究者發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)在β衰變過程中，有一部分能量失蹤了。物理學(xué)上著名的哥本哈根學(xué)派領(lǐng)袖尼爾斯·玻爾據(jù)此認(rèn)為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個假說，認(rèn)為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損。這種粒子與物質(zhì)的相互作用極弱，以致儀器很難探測到。

1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，與會者中有海森堡、泡利、居里夫人等，當(dāng)時泡利將這種粒子命名為“中子”，最初他以為這種粒子原來就存在于原子核中。同年，泡利在美國物理學(xué)會的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在于原子核中，而是衰變產(chǎn)生的。泡利預(yù)言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。

1932年真正的中子被發(fā)現(xiàn)，意大利物理學(xué)家費(fèi)米將泡利的“中子”正名為“中微子”。1995年，美國物理學(xué)家柯萬和萊因斯等第一次通過實(shí)驗(yàn)直接探測到了中微子 ，他們因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

“幽靈”地下實(shí)驗(yàn)室

光在星際傳播時會受時空的影響而轉(zhuǎn)彎，而中微子不會。因此中微子探測器都建在地下，以此來阻擋其他輻射源的干擾。目前世界上有好幾個國家都建立了中微子地下實(shí)驗(yàn)室。

較早的有加拿大薩德伯里中微子觀測站，建于上世紀(jì)80年代，主體建在1600米深的地下。在其核心部位的巨型塑料球體內(nèi)填充著800噸特殊的物質(zhì)，稱為液體閃爍體。整個球體被“水殼”所環(huán)繞，被約一萬個極其敏感的光檢測器監(jiān)控著，也就是光電倍增管 。當(dāng)中微子與探測器中的其他粒子發(fā)生接觸時，可在液體閃爍體中制造出光，而光電倍增管能夠?qū)Υ诉M(jìn)行捕捉。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)了中微子的三種形態(tài)。

世界最大的中微子觀測站是建在南極的阿蒙森-斯科特冰立方中微子觀測站。有多達(dá)5160個探測器分布在南極的冰層之下，以尋找源自宇宙中諸如恒星爆炸、黑洞和中子星等極端事件產(chǎn)生的高能中微子。據(jù)報(bào)道，當(dāng)中微子闖入冰層中的水分子時，會產(chǎn)生一種錐形輝光，即切連科夫輻射，這正是冰立方探測器要捕捉的東西?？茖W(xué)家們希望借此還原中微子的運(yùn)行路徑，辨認(rèn)它們的來源。

日本的大型中微子探測器是超級神岡探測器，是在日本西部神岡町的茂住礦山一個深達(dá)1000米的廢棄砷礦中建造的。巨大的探測器中包含五萬噸純水，以及近11200個光電倍增管。與冰立方相似，神岡探測器也通過切連科夫輻射來捕捉中微子。1998年，神岡探測器率先發(fā)現(xiàn)中微子振蕩的證據(jù)，并揭示出中微子也有微小的質(zhì)量。

我國大亞灣的山區(qū)內(nèi)埋藏著三個中微子實(shí)驗(yàn)廳。其中8個柱形探測器每個都包含著20噸的液體閃爍體，周圍則有上千個光電倍增管。它們被置入純水池中，以阻擋任何環(huán)境中的輻射。附近的一組核反應(yīng)堆不斷地產(chǎn)生著巨量的電子反中微子。這些反中微子接觸到液體閃爍體，釋放出輝光，并由光電倍增管捕捉。

未來應(yīng)用

奇妙的中微子，現(xiàn)在我們能夠產(chǎn)生它、探測它，那么能不能在日常生活中用上它呢？美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用一個試驗(yàn)裝置，成功地用中微子應(yīng)用于通訊，誤碼率百分之一。由于中微子可以幾乎不受阻擋地直線穿過物質(zhì)，這種通訊不會受海水和地層的阻擋，也無法干擾、攔截和破解。也許有一天，它能變成實(shí)用的通訊方式。

不過在科學(xué)家眼中，基礎(chǔ)研究的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的實(shí)用性。100多年前居里夫人發(fā)現(xiàn)原子核的衰變時，也無人知曉這將意味著什么，今天核能的利用已經(jīng)深刻地改變了世界。今天無比神秘的中微子還只是在象牙塔里，隨著人類對自然界認(rèn)識的不斷深入，中微子的更多謎團(tuán)被揭曉的那天，也許將深刻地影響未來。