追蹤“幽靈粒子”

如果沒(méi)有中微子，宇宙可能只是一片虛無(wú)。然而，這種難以捉摸的粒子不會(huì)輕易透露它的秘密。

深層地下中微子實(shí)驗(yàn)中中微子的軌跡。質(zhì)子束在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器裝置中產(chǎn)生，撞擊靶標(biāo)并產(chǎn)生中微子束。中微子束穿過(guò)粒子探測(cè)器，經(jīng)過(guò)1300千米后到達(dá)桑福德地下研究中心的探測(cè)器

中微子是一種難以探測(cè)的粒子。它不帶電荷，幾乎沒(méi)有質(zhì)量，甚至沒(méi)有固定的身份：它有三種略微不同的形態(tài)，任何一個(gè)中微子都會(huì)在這三種形態(tài)之間不斷切換。每秒鐘大約有500萬(wàn)億個(gè)中微子飛進(jìn)你的身體，然后又不著痕跡地離開(kāi)。中微子對(duì)宇宙的其他部分漠不關(guān)心。位于伊利諾伊州巴塔維亞的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室深層地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）項(xiàng)目主管克里斯 · 莫西（Chris Mossey）說(shuō)：“如果你向一堵一光年厚的鉛墻發(fā)射一個(gè)中微子，那么這個(gè)中微子有50%的概率會(huì)穿過(guò)鉛墻而不會(huì)發(fā)生任何相互作用。”

中微子可能對(duì)我們無(wú)動(dòng)于衷，但我們卻無(wú)法對(duì)它們無(wú)動(dòng)于衷。

近七十年來(lái)，物理學(xué)家精心制作了越來(lái)越復(fù)雜的裝置，試圖戰(zhàn)勝自然，探測(cè)這些看似不可探測(cè)的粒子。DUNE探測(cè)器是這些設(shè)備中最新，也是最先進(jìn)的一臺(tái)：耗資32億美元、總長(zhǎng)達(dá)1300千米的一組實(shí)驗(yàn)裝置，旨在以前所未有的方式揭示中微子的蹤跡。莫西曾是一名美國(guó)海軍退役少將，如今與全球超過(guò)一千名研究人員共同努力，力爭(zhēng)在2031年前讓DUNE投入運(yùn)行。

從表面上看，耗費(fèi)如此大量的資源去追逐“幽靈”粒子似乎有些瘋狂。然而，當(dāng)你理解中微子代表的意義時(shí)，這種對(duì)中微子的癡迷就變得合情合理了。莫西說(shuō)道：“我發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常向同事解釋，什么是中微子?！彼膶I(yè)背景并不是物理學(xué)，而是美國(guó)海軍大型建設(shè)項(xiàng)目的工程監(jiān)理。他樂(lè)于重溫自己對(duì)中微子的學(xué)習(xí)過(guò)程，并說(shuō)道：“DUNE項(xiàng)目的科學(xué)真的令人驚嘆。它追尋的是我們?cè)噲D理解的宇宙最根本的問(wèn)題：為什么物質(zhì)會(huì)存在？如果能夠解答這些問(wèn)題，那就是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的成果。”

根據(jù)目前的物理學(xué)理論，宇宙誕生于一片難以想象的熾熱、致密能量海洋——也就是大爆炸。這種能量本應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們本應(yīng)完美地彼此相互湮滅，最終的結(jié)果本應(yīng)該是一片虛無(wú)。然而，令人驚奇的事情發(fā)生了：物質(zhì)粒子的數(shù)量以約十億分之一的比例略微地超過(guò)了反物質(zhì)粒子。這微不足道的不平衡創(chuàng)造了巨大的差異。多余的物質(zhì)粒子形成了我們看到的星系、恒星、行星，乃至人類。

沒(méi)錯(cuò)，我們?nèi)祟惒钜稽c(diǎn)不存在。我們是宇宙中的“幸運(yùn)殘留物”，是物理定律中某個(gè)未知“漏洞”的意外結(jié)果。

中微子的奇特屬性，尤其是它能在不同形態(tài)間“變換”的能力，或許可以揭示出這種導(dǎo)致物質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位的關(guān)鍵不對(duì)稱性。僅僅搞清楚這種不平衡為何以及如何產(chǎn)生，就已經(jīng)是一個(gè)巨大的突破。但中微子可能不僅僅是揭示宇宙早期歷史的被動(dòng)信使。根據(jù)某些理論，中微子在物質(zhì)的誕生過(guò)程中也發(fā)揮了積極作用，因此與大爆炸之后的一切事物息息相關(guān)。于是，這些微小的粒子以及為研究它們而建造的龐大裝置，肩負(fù)著巨大的使命。

“我們想知道為什么我們?cè)谶@里——為什么我們存在，”DUNE項(xiàng)目副主管薩姆 · 澤勒（Sam Zeller）說(shuō)道，“我們非常希望DUNE的研究成果能給出一個(gè)明確的答案?！?/p>

長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家一直對(duì)中微子寄予厚望。事實(shí)上，早在人們知道中微子存在之前，他們就已經(jīng)開(kāi)始這樣做了。

假設(shè)成真

從1914年起，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯 · 查德威克（James Chadwick）開(kāi)始注意到，某些類型的放射性原子（如碳-14）表現(xiàn)異常。在一種名為β衰變的自發(fā)核反應(yīng)中，原子的核會(huì)發(fā)射出高速電子。理論上，發(fā)射出的電子應(yīng)該總是以相同的方式出現(xiàn)，攜帶的能量應(yīng)當(dāng)與原子核失去的能量完全一致。然而，實(shí)際結(jié)果是，電子的能量總是偏小的。更糟糕的是，這種能量差并不一致——有時(shí)差得少，有時(shí)差得多。

20世紀(jì)30年代初的詹姆斯·查德威克

查德威克發(fā)現(xiàn)的這種差異蘊(yùn)含了令人不安的含義：放射性原子似乎違反了能量守恒定律——這是物理學(xué)中最基本的定律之一，即能量既不能被創(chuàng)造也不能被毀滅。這個(gè)結(jié)果如此令人震驚，以至于著名的丹麥物理學(xué)家尼爾斯 · 玻爾（Niels Bohr）提出，人們熟悉的物理定律在亞原子尺度上可能不再適用?；蛟S在量子物理學(xué)中，能量守恒并不是一條嚴(yán)格的規(guī)則，而更像是一種統(tǒng)計(jì)平均值。在這種觀點(diǎn)下，能量可能在某處消失或創(chuàng)造，只要總體保持平衡即可。

玻爾的許多同事仍然抱有希望，認(rèn)為查德威克可能是在測(cè)量中出現(xiàn)了錯(cuò)誤。然而，當(dāng)查德威克在1922年發(fā)布了對(duì)β衰變的詳盡研究后，這個(gè)差異已變得不可否認(rèn)，而尋找一個(gè)解釋則變得更加緊迫。

最終，1930年12月，奧地利物理學(xué)家和量子理論先驅(qū)沃爾夫?qū)?· 泡利（Wolfgang Pauli）提出了他所謂的“絕望的補(bǔ)救措施”，來(lái)拯救能量守恒定律。他的想法非常奇特，以至于他通過(guò)一封詼諧的信件將這一想法傳達(dá)給在德國(guó)圖賓根開(kāi)會(huì)的一群核物理學(xué)家，收信人是“親愛(ài)的放射性女士們和先生們”。泡利提出：在β衰變的瞬間是否可能出現(xiàn)一個(gè)看不見(jiàn)、不帶電的粒子？這個(gè)假設(shè)的粒子是否會(huì)帶走所需的能量，從而確保能量守恒？

當(dāng)時(shí)，物理學(xué)家只知道兩種亞原子粒子：質(zhì)子和電子。憑空設(shè)想一個(gè)全新的、無(wú)法探測(cè)到的粒子來(lái)解釋這一奇特的觀測(cè)結(jié)果，似乎和拋棄能量守恒定律一樣荒謬。恩里科 · 費(fèi)米（Enrico Fermi）是少數(shù)幾名最早認(rèn)真對(duì)待泡利這一想法的人之一，這位意大利裔物理學(xué)家后來(lái)因創(chuàng)建了第一個(gè)核反應(yīng)堆而聞名。費(fèi)米為泡利所說(shuō)的粒子構(gòu)建了更為完整的理論描述，并在1934年向《自然》雜志提交了一篇闡述其觀點(diǎn)的論文。編輯們拒絕了這篇論文，據(jù)說(shuō)是因?yàn)椤捌渲械耐茰y(cè)過(guò)于脫離現(xiàn)實(shí)，無(wú)法引起讀者的興趣”。

但中微子頑強(qiáng)地存在于理論中。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)表明，β衰變中發(fā)射出的電子遵循特定的能量分布，這種分布與看不見(jiàn)粒子的存在相符，而不是無(wú)約束地違反能量守恒定律。1938年，《紐約時(shí)報(bào)》宣稱中微子“已不再只是一個(gè)假設(shè)”，這反映了物理學(xué)界的新共識(shí)。即便如此，泡利也意識(shí)到，他說(shuō)的粒子將極難被探測(cè)到——難到他曾開(kāi)玩笑說(shuō)，他愿意用一箱香檳獎(jiǎng)勵(lì)任何能成功探測(cè)到中微子的人。

泡利的香檳被冰封了將近二十年，直到洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家弗雷德里克 · 萊因斯（Frederick Reines）和小克萊德 · 考恩（Clyde Cowan， Jr）下定決心要徹底追蹤中微子。用萊因斯的話說(shuō)：“因?yàn)槊總€(gè)人都說(shuō)你做不到?！?0世紀(jì)50年代初，萊因斯和考恩意識(shí)到，尋找中微子的最佳地點(diǎn)是在產(chǎn)生大量中微子的核反應(yīng)附近，例如原子彈或核反應(yīng)堆旁。他們?cè)虝旱乜紤]將中微子探測(cè)器放置在洛斯阿拉莫斯的原子彈試驗(yàn)旁，隨后決定轉(zhuǎn)向一個(gè)更穩(wěn)定且安全的中微子源——位于南卡羅來(lái)納州薩凡納河工廠的美國(guó)軍用核反應(yīng)堆。

為了進(jìn)行這項(xiàng)綽號(hào)為“鬼怪計(jì)劃”（Project Poltergeist）的研究，萊因斯和考恩組建了一個(gè)容積達(dá)到1400升的探測(cè)器，里面裝滿水和氯化鎘。在罕見(jiàn)的情況下，當(dāng)中微子與鎘原子發(fā)生碰撞時(shí)，它將發(fā)出可探測(cè)到的伽馬射線。利用這一裝置，意志堅(jiān)定的兩人終于在薩凡納河核反應(yīng)堆中找到了中微子的明確信號(hào)。1956年6月14日，他們給泡利發(fā)了一封電報(bào)：“我們非常高興地通知您，我們已明確探測(cè)到裂變碎片產(chǎn)生的中微子。”泡利回信道：“功夫不負(fù)有心人?！?/p>

就這樣，中微子從理論假設(shè)變成了一個(gè)真實(shí)的粒子。

發(fā)現(xiàn)振蕩

既然中微子可以在受控實(shí)驗(yàn)中被探測(cè)到（盡管非常困難），另一位癡迷的物理學(xué)家就希望在自然界中研究它們。他敏銳地把目光投向了我們附近最大的中微子噴發(fā)核反應(yīng)堆——太陽(yáng)。從1965年開(kāi)始，物理學(xué)家小雷蒙德 · 戴維斯（Raymond Davis， Jr）說(shuō)服布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)資助了世界上第一臺(tái)中微子望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)“望遠(yuǎn)鏡”只是一個(gè)非常寬泛意義上的稱呼，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鏡片和透鏡對(duì)中微子無(wú)用。戴維斯使用了大約40萬(wàn)升富含氯的干洗液作為探測(cè)器，并將其泵入南達(dá)科他州萊德的霍姆斯塔克金礦的一個(gè)洞穴中——無(wú)獨(dú)有偶，DUNE實(shí)驗(yàn)如今也正在同一地點(diǎn)進(jìn)行。

絕大多數(shù)太陽(yáng)中微子都直接穿過(guò)了干洗液，正如它們穿過(guò)其他東西一樣。與萊因斯和考恩的實(shí)驗(yàn)一樣，戴維斯依靠的是中微子的巨大數(shù)量。他只需要幾個(gè)經(jīng)過(guò)的中微子與水箱中數(shù)以億計(jì)的氯原子中的少數(shù)發(fā)生碰撞。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，氯原子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅逶?，而戴維斯可以探測(cè)并計(jì)數(shù)這些氬原子。他的艱苦努力奏效了，但也只能算是奏效：他探測(cè)到了預(yù)期的氬原子，但數(shù)量卻完全不對(duì)。戴維斯不斷改進(jìn)和校準(zhǔn)他的實(shí)驗(yàn)，直到1975年，戴維斯可以確定，來(lái)自太陽(yáng)的中微子流量?jī)H為預(yù)期值的1/3，剩下的2/3的中微子“失蹤”了。

戴維斯得出結(jié)論：要么是物理學(xué)家誤解了太陽(yáng)的發(fā)光機(jī)制，要么就是他們低估了中微子的復(fù)雜性。

加拿大女王大學(xué)的天體物理學(xué)家阿瑟 · 麥克唐納（Arthur McDonald）決定押注在中微子的復(fù)雜性上，并幫助設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這一點(diǎn)。正如所有中微子實(shí)驗(yàn)一樣，麥克唐納提出的項(xiàng)目也是一項(xiàng)浩大的工程。在20世紀(jì)80年代，他和同事向加拿大政府提出了一個(gè)驚人的請(qǐng)求：“你們能借給我們4000噸重水來(lái)測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)的中微子嗎？”他回憶道：“當(dāng)時(shí)這些重水的價(jià)值大約是12億美元。”

麥克唐納的靈感來(lái)自當(dāng)時(shí)最新的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)表明中微子并不是單一類型的粒子，而是一個(gè)“家族”。到20世紀(jì)70年代中期，物理學(xué)家已經(jīng)推斷出中微子至少有三種不同的種類或“味道”：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。雖然沒(méi)有人能夠準(zhǔn)確解釋為什么同一種“幽靈”粒子會(huì)有三種不同的身份，但理論表明，每種類型的中微子都與一種相應(yīng)的基本粒子配對(duì)：電子、μ子和τ子。

數(shù)字“3”引起了物理學(xué)家的注意，它為戴維斯實(shí)驗(yàn)中令人費(fèi)解的中微子探測(cè)不足提供了解釋?；蛟S其余2/3的中微子并沒(méi)有真正“消失”，而只是隱藏了起來(lái)。物理模型表明，太陽(yáng)應(yīng)該只產(chǎn)生一種類型的中微子——電子中微子——這也是戴維斯的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱綔y(cè)到的唯一類型。

但一些理論學(xué)家提出，中微子是否可以隨時(shí)改變身份，從一種形式振蕩到另一種形式？這一理論被稱為米赫耶夫-斯米爾諾夫-沃爾芬斯坦效應(yīng)（MSW效應(yīng)），它與任何其他粒子的行為都不相符，但其邏輯卻很吸引人。由于中微子有三種身份可供選擇，到達(dá)地球時(shí)，只有1/3的太陽(yáng)中微子仍保持電子中微子的身份。而僅這1/3的中微子也能被戴維斯的探測(cè)器捕捉到，與他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

麥克唐納必須證明中微子確實(shí)會(huì)以這種兩面性（或者說(shuō)，三面性）的方式振蕩。令他驚喜的是，加拿大政府提供了1000噸重水，足以啟動(dòng)他的實(shí)驗(yàn)，并在安大略省建立后來(lái)的薩德伯里中微子天文臺(tái)。與戴維斯實(shí)驗(yàn)中的氯原子不同，重水可以與所有三種味道的中微子相互作用，這使得麥克唐納可以追蹤這些中微子，無(wú)論它們以何種形式出現(xiàn)。他說(shuō)：“在2001年和2002年，我們能夠證明，來(lái)自太陽(yáng)的中微子會(huì)從其中一種味道變成另外一種。”13年后，麥克唐納因這一研究成果分享了2015年諾貝爾獎(jiǎng)。

中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)是另一個(gè)看似晦澀難解的物理觀測(cè)結(jié)果，但卻具有深遠(yuǎn)的影響。振蕩只有在某些中微子具有質(zhì)量的情況下才有可能發(fā)生，這令理論學(xué)家們大吃一驚?！皹?biāo)準(zhǔn)模型（20世紀(jì)70年代建立的關(guān)于基本力和粒子的主流理論）并沒(méi)有以任何方式預(yù)言到中微子具有質(zhì)量?！毙列聊翘岽髮W(xué)的亞歷山德羅 · 索薩（Alexandre Sousa）說(shuō)。他有一個(gè)很酷的頭銜——DUNE實(shí)驗(yàn)的“超越標(biāo)準(zhǔn)物理模型物理聯(lián)合召集人”。中微子的質(zhì)量從何而來(lái)，以及它對(duì)一般質(zhì)量本質(zhì)的啟示，仍然是活躍且有爭(zhēng)議的研究課題。

更重要的是，中微子振蕩表明中微子可以作為一種靈敏的探針，用來(lái)檢驗(yàn)自然對(duì)稱性——即使某個(gè)基本條件發(fā)生改變，某些物理規(guī)律仍然保持不變。例如，當(dāng)你照鏡子時(shí)，物理定律看起來(lái)是一樣的（光仍然是光，物體仍然會(huì)下落，等等）。這種鏡像一致性通常也適用于單個(gè)粒子，這種特性被稱為“宇稱對(duì)稱性”。除電荷相反外，物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子的行為也應(yīng)該是一致的，這種特性被稱為“電荷對(duì)稱性”。在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，物理學(xué)家在很大程度上依賴類似這樣的對(duì)稱性來(lái)理解現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行規(guī)則。

然而，中微子并不遵守這些對(duì)稱性規(guī)則。尤其是，它們違反了電荷和宇稱對(duì)稱性的組合——這種組合自然被稱為“CP對(duì)稱性”。中微子從一種味道轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N的方式取決于它們違反CP對(duì)稱性的具體方式和程度。而CP對(duì)稱性恰好會(huì)影響物質(zhì)和反物質(zhì)之間的平衡。要想讓宇宙充滿物質(zhì)（以及隨之而來(lái)的所有事物，從星系到人類），唯一的辦法就是違反這種特定的對(duì)稱性。因此，如果找到宇宙中CP對(duì)稱性的破缺點(diǎn)，我們或許就能弄清楚這些物質(zhì)從何而來(lái)。

35噸容量原型低溫容器中用于LBNF/DUNE早期測(cè)試的、閃閃發(fā)光的液態(tài)氬

索薩說(shuō)：“有了中微子，你可以測(cè)量這種CP破缺的數(shù)值，如果這個(gè)數(shù)值足夠大，那么理論上它可以解釋一切。”這正是DUNE項(xiàng)目的目的所在。

作為一個(gè)多層次的物理實(shí)驗(yàn)，DUNE項(xiàng)目旨在以前所未有的精度審視中微子行為的方方面面，這與其龐大的規(guī)模和預(yù)算是相稱的。但最重要的是，它試圖探索那個(gè)令人困惑的宇宙起源問(wèn)題：為什么宇宙中有“某物”而不是“虛無(wú)”？我們獲得有意義答案的最佳希望是在前所未有的精度下研究中微子振蕩。為此，DUNE將整合以往所有中微子實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)和方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅擴(kuò)展。

DUNE項(xiàng)目誕生

DUNE運(yùn)行所需的工程規(guī)模與它要研究的微小粒子相比，簡(jiǎn)直不成比例。莫西對(duì)項(xiàng)目的規(guī)模感到難以置信：中微子探測(cè)器高達(dá)五層樓，長(zhǎng)達(dá)60米，隱藏在地下1.6千米處，里面裝有近7萬(wàn)噸的低溫液態(tài)氬。2024年2月，莫西的團(tuán)隊(duì)完成了DUNE主要工作區(qū)的挖掘，三個(gè)巨大的洞穴將用于放置這些巨大的探測(cè)器。僅這一任務(wù)就需要挖掘80萬(wàn)噸的巖石。“而這一切都必須通過(guò)一個(gè)僅1.5千米寬的礦井完成，”他說(shuō)，“想象一下起重機(jī)、動(dòng)力和通風(fēng)系統(tǒng)的難度?！?/p>

澤勒說(shuō)，到2031年DUNE完全啟動(dòng)時(shí)，它將產(chǎn)生“歷史上最強(qiáng)的中微子束流”，120萬(wàn)瓦的中微子爆炸將徹底曝光這些幽靈粒子。生成這樣一道束流，還需要一整套精心設(shè)計(jì)的工程技術(shù)來(lái)操控粒子而非巖石——如同一個(gè)量子版的魯布 · 戈德堡機(jī)器。

每一輪DUNE實(shí)驗(yàn)都始于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室——位于芝加哥郊外的一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行的粒子物理研究機(jī)構(gòu)。在那里，一個(gè)名為質(zhì)子改進(jìn)計(jì)劃II（PIP-II）的新粒子加速器發(fā)射出一束高能質(zhì)子。由印度巴哈原子研究中心制造的41塊巨型磁鐵將質(zhì)子聚焦并校準(zhǔn)，使其轟擊一個(gè)精心制作的1.5米長(zhǎng)的圓柱形石墨靶。被轟擊的靶材會(huì)噴射出被稱為π介子和K介子的粒子，這些粒子隨后在磁鐵的引導(dǎo)下穿過(guò)一條200米長(zhǎng)、充滿氦氣的隧道，在那里衰變產(chǎn)生μ子中微子。這最后一步會(huì)生成一道強(qiáng)烈的中微子探照燈，目標(biāo)直指南達(dá)科他州的主探測(cè)器。

對(duì)中微子而言，地球是透明的

DUNE的探照燈將以脈沖方式發(fā)射中微子，脈沖持續(xù)時(shí)間僅為一毫秒左右，每隔幾秒發(fā)射一次，反反復(fù)復(fù)，持續(xù)十年或更久?！八鼈円远瘫l(fā)形式出現(xiàn)，這樣你就能清晰地識(shí)別它們?！睗衫战忉尩?。否則，DUNE靈敏的探測(cè)器可能會(huì)將這些人為產(chǎn)生的中微子與宇宙其他地方一直在飛來(lái)飛去的隨機(jī)中微子相混淆。

在旅程的最開(kāi)始，距離費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室僅574米處，中微子會(huì)通過(guò)一個(gè)名為“近”（Near）探測(cè)器的小型實(shí)驗(yàn)裝置，接收第一次物理檢測(cè)。這里的“小型”是相對(duì)的：“近”探測(cè)器由一個(gè)可移動(dòng)的、重達(dá)300噸的液態(tài)氬中微子收集器組成，位于地下約60米處。它的核心工作之一是測(cè)量出射中微子束的特性，以支撐DUNE主實(shí)驗(yàn)。但“近”探測(cè)器也將進(jìn)行自己的科學(xué)測(cè)量，主要是尋找可能存在的第四類中微子，即無(wú)味中微子。

逃離“近”探測(cè)器后，中微子以接近光速的速度繼續(xù)前進(jìn)，徑直穿過(guò)地球。對(duì)中微子而言，地球是透明的?！霸幸晃弧端淼馈冯s志的記者很失望，因?yàn)槲覀儾恍枰獜馁M(fèi)米實(shí)驗(yàn)室建造一條1300千米長(zhǎng)的隧道，”莫西說(shuō)道。大約1/250秒后，這些粒子抵達(dá)它們的首要目的地：桑福德地下研究中心（SURF）巨大的DUNE“遠(yuǎn)”（Far）探測(cè)器，位于南達(dá)科他州地下1.5千米深處，緊鄰戴維斯早期太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)的舊址。

當(dāng)一個(gè)路過(guò)的中微子以極小的概率與DUNE探測(cè)器中的氬原子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)引發(fā)一連串反應(yīng)。正如所有與中微子有關(guān)的事情一樣，這個(gè)過(guò)程并不簡(jiǎn)單。中微子激發(fā)了一個(gè)（或多個(gè)）帶電粒子（通常是μ子）的發(fā)射；這些粒子又會(huì)從鄰近的氬原子中撞擊出一系列電子。然后，數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)檢測(cè)這些電子，精確地記錄它們的能量和位置，從而以壯觀的三維形式重建出最初中微子的詳細(xì)信息。最終，人類將能夠以前所未有的方式“看到”中微子。

對(duì)于那些習(xí)慣于等待數(shù)天甚至數(shù)月才捕捉到一個(gè)中微子信號(hào)的研究人員來(lái)說(shuō)，DUNE將帶來(lái)一場(chǎng)革命，每毫秒它可以提供多達(dá)50次中微子碰撞信號(hào)?！斑@是我們以前從未有過(guò)的體驗(yàn)。你可以看到中微子與氬原子碰撞后產(chǎn)生的所有不同粒子的軌跡。”澤勒說(shuō)道。研究人員將記錄每個(gè)事件并標(biāo)記：這是什么類型的中微子？它的能量是多少？它的特性是什么？

DUNE還將創(chuàng)建一個(gè)前所未有的物理學(xué)社區(qū)。戴維斯幾乎是獨(dú)自完成實(shí)驗(yàn)的，而DUNE實(shí)驗(yàn)則更像是一個(gè)中微子的“伍德斯托克音樂(lè)節(jié)”。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的瑪麗 · 比什艾（Mary Bishai）從DUNE還未命名時(shí)就開(kāi)始參與工作，如今她是該項(xiàng)目的官方發(fā)言人。她看到圍繞這個(gè)項(xiàng)目形成的龐大合作團(tuán)隊(duì)，既驚訝又有些不堪重負(fù)?！澳阌?400人，每個(gè)人都隸屬于不同的大學(xué)或?qū)嶒?yàn)室。物理學(xué)家之間的互動(dòng)非常多，就像趕貓一樣，”她打趣道，“但讓我們一起工作的是對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)?！?/p>

在完成所有的隧道挖掘、粒子碰撞和束流發(fā)射后，DUNE最終輸出的實(shí)際數(shù)據(jù)將主要是中微子相互作用的干涉圖樣——類似于湖面上波紋相互疊加或抵消的現(xiàn)象，只不過(guò)這些波浪是由成群的不可見(jiàn)粒子構(gòu)成的。三種中微子之間會(huì)發(fā)生振蕩和相互作用，形成類似的中微子類型和強(qiáng)度圖樣。通過(guò)調(diào)整DUNE的束流和探測(cè)器，研究人員將逐步繪制出這些模式圖，并建立有史以來(lái)最完整的中微子行為模式圖。

“你在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造出μ子中微子。然后，在它們抵達(dá)‘遠(yuǎn)’探測(cè)器時(shí)，大約有5%的中微子會(huì)振蕩成電子中微子，其余的會(huì)振蕩成τ子中微子。”索薩解釋道。由此產(chǎn)生的振蕩圖樣被稱為“混合角”，介于三種不同中微子特性之間?！癉UNE將測(cè)量這個(gè)混合角，以及與其相關(guān)的所有物理現(xiàn)象?！彼魉_進(jìn)一步解釋道?；旌辖鞘且唤M數(shù)字，表示自然界在多大程度上偏離數(shù)學(xué)上理想化的簡(jiǎn)單對(duì)稱形式——一種會(huì)導(dǎo)致空洞、貧瘠現(xiàn)實(shí)的可悲對(duì)稱性。

當(dāng)DUNE忙于尋找中微子振蕩時(shí)，它還將承擔(dān)許多其他物理任務(wù)。它將尋找假想的重中微子，這些粒子可以解釋宇宙中不可見(jiàn)的暗物質(zhì)——這種暗物質(zhì)的質(zhì)量似乎超過(guò)了所有可見(jiàn)物質(zhì)的總和。如果這些“無(wú)味”中微子存在，它們一定比普通中微子更具惰性；它們可能隱藏著一個(gè)未曾發(fā)現(xiàn)的“影子”物理世界。DUNE探測(cè)器將起到超靈敏中微子望遠(yuǎn)鏡的作用，是戴維斯于20世紀(jì)60年代在同一地點(diǎn)開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)的顯著增強(qiáng)版。如果銀河系中任何地方有超新星爆發(fā)，科學(xué)家都會(huì)知道，并能獲得一個(gè)獨(dú)特的視角來(lái)觀察垂死恒星的心臟——只有中微子才能提供這樣的視角?！拔覀儗W(xué)到很多東西。”索薩說(shuō)道。

到DUNE實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，也就是在2040年左右，我們應(yīng)該能了解三種已知類型中微子的行為、相互作用方式以及它們的質(zhì)量。我們可能會(huì)了解到將遙遠(yuǎn)星系結(jié)合在一起的暗物質(zhì)身份。最重要的是，我們應(yīng)該能夠精確測(cè)量中微子的混合角和CP對(duì)稱性破缺，這將告訴我們是否找到了可以解釋我們存在的百億分之一的不平衡。

粒子物理學(xué)家將密切關(guān)注測(cè)量得到的混合角的精確值，以期找到有關(guān)我們起源的更深層次線索：不僅是物質(zhì)存在的原因，還包括它們的來(lái)源。如果中微子展現(xiàn)出恰到好處的不平衡，這一發(fā)現(xiàn)將支持一個(gè)被稱為“蹺蹺板機(jī)制”的大膽理論。這一理論假設(shè)，今天我們看到的中微子是宇宙大爆炸之后不久便存在的超大質(zhì)量中微子的“后裔”。那些“巨型”中微子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的千萬(wàn)億倍。隨著它們的衰變，它們可能成為我們今天看到的所有原子的直接來(lái)源。如果是這樣的話，那我們都是中微子的后代。

此外，還有從哲學(xué)和社會(huì)學(xué)角度上的滿足感。來(lái)自35個(gè)國(guó)家的理論學(xué)家、技術(shù)人員和實(shí)踐型粒子物理學(xué)家聚集在一起，攜手合作超過(guò)二十年，共同解決一個(gè)不切實(shí)際但又極其個(gè)人化的問(wèn)題：為什么存在萬(wàn)物，而不是虛無(wú)？“還有什么工作能比解答一個(gè)全世界沒(méi)有人知道答案的問(wèn)題更棒呢？”澤勒問(wèn)道。在這個(gè)角度來(lái)看，DUNE看起來(lái)不再像是一臺(tái)機(jī)器，而更像是一座現(xiàn)代的教堂——一個(gè)人們聚集在一起，在一個(gè)超越個(gè)人、跨越世代的共同目標(biāo)的激勵(lì)下尋求啟迪的地方。

莫西將中微子之謎放在了一個(gè)更長(zhǎng)的演化時(shí)間尺度上?！霸谀愕囊簧?，每秒鐘都有650億個(gè)中微子穿過(guò)你的身體的每一平方厘米，這個(gè)過(guò)程可以追溯到10萬(wàn)年前第一批人類在地球上行走時(shí)?！彼f(shuō)道，“如此普遍存在的東西，必定在宇宙中扮演著重要的角色，而我們必須想辦法弄清楚它是什么?！?/p>

資料來(lái)源Aeon

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本文作者科里·鮑威爾（Corey S. Powell）是一位科學(xué)編輯和記者，曾擔(dān)任《發(fā)現(xiàn)》《科學(xué)美國(guó)人》的編輯。他是《方程中的上帝》（2003）的作者，并與比爾·奈（Bill Nye）合作撰寫了三本書(shū)，包括《萬(wàn)物齊發(fā)》（2017）。目前，他正在創(chuàng)作一本關(guān)于宇宙中不可見(jiàn)方面的書(shū)，預(yù)計(jì)于2026年出版