幽灵粒子进入主线视野——中微子物理步入新时代

7月21日，一群科学家、工程师和应邀的社会显要人物聚集在美国南达科塔州的桑福德地下研究机构(SURF)，见证了美国即将开启的中微子物理学的全新时代。在这里，他们将开始建造一个巨大的地下实验室，可以帮助我们揭开宇宙是如何运作的，以及解释物质的存在之谜。

这个最新实验设备叫做深地中微子实验室(DUNE)，将探测在距离800英里(1280公里)外的费米国家加速器实验室中制造出来的亚原子粒子——中微子。

△ 从费米实验室制造出来的中微子将直穿地球，传播到距离1280公里外的SURF。（图片来源：Fermilab）

 幽灵般的粒子 

中微子是亚原子粒子，但不同于质子、中子和电子，它们在构建原子结构中不充当关键角色。中微子是在地球上放射性元素衰变时产生的，这一过程被称为β衰变，特别是在中子衰变为质子的过程中。支配β衰变的作用力被称为弱核力。事实上，在三种已知亚原子作用力中(电磁力、强核力和弱核力)，中微子仅感受到弱核力。由于弱核力真的很弱，因此中微子很少与其它物质发生相互作用。

这些幽灵般的粒子在宇宙中非常普遍。除了形成于β辐射，它们还大量出现在核反应堆中。虽然分布全球的核电站也能制造中微子，但目前最大的核反应来自太阳。太阳每秒会辐射出惊人数量的中微子，尽管地球与太阳的平均距离大约是1.5亿公里，但每秒平均大约有100万亿个太阳中微子穿过你的身体。幸运的是，这些中微子不会对人体构成任何威胁。

△ 中微子工厂。（图片来源：Nature）

为了让你们更好的理解这一真实性，首先假设你是一位中微子恐怖症者，希望屏蔽持续穿过你身体的中微子。至少从理论来说，这是可能的。中微子会与物质发生微弱的相互作用，如果你希望身体屏蔽来自太阳的中微子，你可以使用一块非常厚的铅板。多厚？为了能够阻挡一半的太阳中微子，铅板所需要的厚度足以填补地球和第二颗邻近恒星——半人马阿尔法星——之间的空间，它与地球之间的距离超过4光年。在这个情况下，如果中微子依旧能够穿过铅板，那么它们肯定能够穿过人体，甚至是穿过地球。

 一次次的惊喜 

为什么科学家对中微子如此感兴趣呢？在过去的一个世纪里，中微子为科学家带来了许多惊喜。尽管中微子是在β衰变中释放出来的，但它们的作用是如此微弱，以至于过去一直无法探测到它们的存在。因此，看上去就好像是β衰变打破了物理定律，能量和动量似乎并不守恒。

为了挽救β衰变带来的危机，1930年，物理学家Wolfgang Pauli提出了一种无形的，本质上无法被探测到的粒子。但直到1956年，科学家才从一个核反应堆的释放中探测到中微子的存在。

同样在1956年，吴健雄进行了另一项实验，她使用钴原子核的β衰变显示了支配中微子的作用——即弱核力——拥有着一个惊人的特征。涉及到弱核力的现象可在我们熟悉的宇宙中观测到，但不太可能出现在一个镜像宇宙中。在镜像宇宙中，方向发生了互换，例如：左右交换，上下颠倒等。

这一想法与强核力和电磁学形成鲜明的对比，这种方向的互换是可以实现的。但由于弱核力并不遵循上下、左右的对称性，如果爱丽丝真的穿过这样的镜面，她将遭遇一个真实、但不同于我们的现实世界。最终，由物理学家Lev Landau证明，支配宇宙物质的定律支配着镜像宇宙中的反物质，或者物质和反物质都是镜像图像。

 不守规矩的粒子 

上个世纪60年代，中微子带来了更多的惊喜。1962年，物理学家

Leon Lederman、Melvin Schwartz和Jack Steinberger发现存在两种类型的中微子（2000年科学家在费米实验室发现第三种类型的中微子）。而更大的惊喜发生在当化学家Raymond Davis试图探测太阳中微子的时候。他将一个奥运会游泳池大小的桶状结构装满干洗液，作为一个中微子探测器。干洗液中的氯与太阳中微子发生作用，将其转换成放射性氩和一个电子。通过测量氩，科学家间接地发现了中微子。

尽管Davis探测到太阳中微子，但是他仅看到自己预期的三分之一。虽然这很可能是一个错误的测量或者预测，但后续实验表明，他的测量是正确的！之所以产生差异的原因很可能是中微子在传播过程中发生衰减，但事实证明，这并不是真正的原因。另一种可能性是中微子可以从一个变体转变至另外两个中的一个，这种转变过程叫做“中微子振荡”，因为中微子可能从一种类型转变至另一种，并再次转变成最初类型。在1998至2001年之间的一系列实验中，科学家证实了中微子振荡的存在。

 反物质之谜 

随着中微子振荡的发现，科学家迫切的想要更好地理解这一现象。这些信息最容易通过使用粒子加速器获得。在美国、欧洲和日本，科学家能够制造中微子束，最强大的中微子束制造于费米实验室。在美国明尼苏达州北部的首丹矿井中进行的一项叫做MINOS的早期实验中，费米实验室朝向MINOS探测器发射中微子束穿过地球(中微子很少与物质作用，所以并没有隧道，它们也能够贯穿地球)。MINOS实验在2005年2016年间运行，一项叫做NOVA的后续实验于2014年开始，这个遥远的探测器位于明尼苏达州的灰河。费米实验室也为这个实验提供中微子。

因此，费米实验室自然地成为发射中微子至DUNE的主实验室，此次实验室设置在南达科塔州，而不是明尼苏达州。

△ DUNE将探测由费米实验室制造的中微子。（图片来源：Sandbox Studios）

为什么科学家对DUNE寄予厚望呢？除了能够更好地描述中微子振荡的性质，还有一个特别吸引人的问题。费米实验室能够同时制造中微子束和反物质中微子束，并且DUNE可以同时研究物质和反物质中微子的振荡性质。根据目前描述物质和能量行为的最好的理论（叫做“标准模型”）的预测，这两种振荡是一样的。而DUNE实验可以验证这一情况。

为什么物质和反物质中微子可能存在振荡差异是一个诱人的想法呢？这可以解决标准模型遇到的一个问题。根据标准模型，我们可以转换能量至物质，反之亦然。但是当能量被转换成为物质时，应该有等量的反物质也被创造。在宇宙大爆炸时，存在着大量的能量。因此，我们的宇宙应当包含等量的物质和反物质，但是为什么今天看到的宇宙只剩下物质？我们并不知道答案。

在1956年吴健雄的实验中表明，弱核力定律支配着我们宇宙中的物质，支配着一个镜像宇宙中的反物质。因此这个差异可能体现在物质和反物质中微子振荡的差异性。如果科学家观测到这些振荡的不对称性，很可能就揭开了关于物质-反物质的不对称性之谜。

此外，DUNE实验室还有其它的功能。例如，它能够探测发生在银河系和邻近星系中的超新星释放的中微子。同时，它可用于搜寻宇宙中的极端事件中释放出的中微子，比如中子星合并，或者黑洞之间的相互作用。

△ 对中微子的研究可以更好的帮助我们理解物质的起源，力的统一和黑洞的形成。（图片来源：DUNE）

同时，DUNE实验室还将寻找质子衰变的信号。标准模型预测质子非常稳定，并且不会发生衰变。通过实验我们知道如果质子发生衰变，其半衰期将比10^34年更长。然而，一些标准模型的延伸新理论预测质子会在比当前的极限略长一些的时间里发生衰变。因此，如果DUNE实验室观察到了质子衰变，这将有助于我们更加深刻地理解物质的稳定性和力的大统一之间的关系。

DUNE被认为是美国未来几十年的旗舰实验，来自全球的1000多位科学家都参与到这个实验，届时他们将对实验获得的数据进行分析，观察中微子是否将再次表现出意想不到的行为。

撰文：Don Lincoln

编译：小雨

参考链接：

https://www.livescience.com/59891-underground-neutrino-lab-breaks-ground.html

http://www.dunescience.org

编辑：Lixy

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