中微子物理學將步入一個新的時代

7月21日，一群科學家、工程師和應邀的社會顯要人物聚集在美國南達科塔州的桑福德地下研究機構(SURF)，見證了美國即將開啟的中微子物理學的全新時代。在這裡，他們將開始建造一個巨大的地下實驗室，可以幫助我們揭開宇宙是如何運作的，以及解釋物質的存在之謎。

這個最新實驗設備叫做深地中微子實驗室(DUNE)，將探測在距離800英里(1280公里)外的費米國家加速器實驗室中製造出來的亞原子粒子——中微子。

△ 從費米實驗室製造出來的中微子將直穿地球，傳播到距離1280公裡外的SURF。（圖片來源：Fermilab）

幽靈般的粒子

中微子是亞原子粒子，但不同於質子、中子和電子，它們在構建原子結構中不充當關鍵角色。中微子是在地球上放射性元素衰變時產生的，這一過程被稱為β衰變，特別是在中子衰變為質子的過程中。支配β衰變的作用力被稱為弱核力。事實上，在三種已知亞原子作用力中(電磁力、強核力和弱核力)，中微子僅感受到弱核力。由於弱核力真的很弱，因此中微子很少與其它物質發生相互作用。

這些幽靈般的粒子在宇宙中非常普遍。除了形成於β輻射，它們還大量出現在核反應堆中。雖然分佈全球的核電站也能製造中微子，但目前最大的核反應來自太陽。太陽每秒會輻射出驚人數量的中微子，儘管地球與太陽的平均距離大約是1.5億公里，但每秒平均大約有100萬億個太陽中微子穿過你的身體。幸運的是，這些中微子不會對人體構成任何威脅。

△ 中微子工廠。（圖片來源：Nature）

為了讓你們更好的理解這一真實性，首先假設你是一位中微子恐怖症者，希望屏蔽持續穿過你身體的中微子。至少從理論來說，這是可能的。中微子會與物質發生微弱的相互作用，如果你希望身體屏蔽來自太陽的中微子，你可以使用一塊非常厚的鉛板。多厚？為了能夠阻擋一半的太陽中微子，鉛板所需要的厚度足以填補地球和第二顆鄰近恆星——半人馬阿爾法星——之間的空間，它與地球之間的距離超過4光年。在這個情況下，如果中微子依舊能夠穿過鉛板，那麼它們肯定能夠穿過人體，甚至是穿過地球。

一次次的驚喜

為什麼科學家對中微子如此感興趣呢？在過去的一個世紀里，中微子為科學家帶來了許多驚喜。儘管中微子是在β衰變中釋放出來的，但它們的作用是如此微弱，以至於過去一直無法探測到它們的存在。因此，看上去就好像是β衰變打破了物理定律，能量和動量似乎並不守恆。

為了挽救β衰變帶來的危機，1930年，物理學家Wolfgang Pauli提出了一種無形的，本質上無法被探測到的粒子。但直到1956年，科學家才從一個核反應堆的釋放中探測到中微子的存在。

同樣在1956年，吳健雄進行了另一項實驗，她使用鈷原子核的β衰變顯示了支配中微子的作用——即弱核力——擁有著一個驚人的特徵。涉及到弱核力的現象可在我們熟悉的宇宙中觀測到，但不太可能出現在一個鏡像宇宙中。在鏡像宇宙中，方向發生了互換，例如：左右交換，上下顛倒等。

這一想法與強核力和電磁學形成鮮明的對比，這種方向的互換是可以實現的。但由於弱核力並不遵循上下、左右的對稱性，如果愛麗絲真的穿過這樣的鏡面，她將遭遇一個真實、但不同於我們的現實世界。最終，由物理學家Lev Landau證明，支配宇宙物質的定律支配著鏡像宇宙中的反物質，或者物質和反物質都是鏡像圖像。

不守規矩的粒子

上個世紀60年代，中微子帶來了更多的驚喜。1962年，物理學家

Leon Lederman、Melvin Schwartz和Jack Steinberger發現存在兩種類型的中微子（2000年科學家在費米實驗室發現第三種類型的中微子）。而更大的驚喜發生在當化學家Raymond Davis試圖探測太陽中微子的時候。他將一個奧運會游泳池大小的桶狀結構裝滿乾洗液，作為一個中微子探測器。乾洗液中的氯與太陽中微子發生作用，將其轉換成放射性氬和一個電子。通過測量氬，科學家間接地發現了中微子。

儘管Davis探測到太陽中微子，但是他僅看到自己預期的三分之一。雖然這很可能是一個錯誤的測量或者預測，但後續實驗表明，他的測量是正確的！之所以產生差異的原因很可能是中微子在傳播過程中發生衰減，但事實證明，這並不是真正的原因。另一種可能性是中微子可以從一個變體轉變至另外兩個中的一個，這種轉變過程叫做「中微子振蕩」，因為中微子可能從一種類型轉變至另一種，並再次轉變成最初類型。在1998至2001年之間的一系列實驗中，科學家證實了中微子振蕩的存在。

反物質之謎

隨著中微子振蕩的發現，科學家迫切的想要更好地理解這一現象。這些信息最容易通過使用粒子加速器獲得。在美國、歐洲和日本，科學家能夠製造中微子束，最強大的中微子束製造於費米實驗室。在美國明尼蘇達州北部的首丹礦井中進行的一項叫做MINOS的早期實驗中，費米實驗室朝向MINOS探測器發射中微子束穿過地球(中微子很少與物質作用，所以並沒有隧道，它們也能夠貫穿地球)。MINOS實驗在2005年2016年間運行，一項叫做NOVA的後續實驗於2014年開始，這個遙遠的探測器位於明尼蘇達州的灰河。費米實驗室也為這個實驗提供中微子。

因此，費米實驗室自然地成為發射中微子至DUNE的主實驗室，此次實驗室設置在南達科塔州，而不是明尼蘇達州。

△ DUNE將探測由費米實驗室製造的中微子。（圖片來源：Sandbox Studios）

為什麼科學家對DUNE寄予厚望呢？除了能夠更好地描述中微子振蕩的性質，還有一個特別吸引人的問題。費米實驗室能夠同時製造中微子束和反物質中微子束，並且DUNE可以同時研究物質和反物質中微子的振蕩性質。根據目前描述物質和能量行為的最好的理論（叫做「標準模型」）的預測，這兩種振蕩是一樣的。而DUNE實驗可以驗證這一情況。

為什麼物質和反物質中微子可能存在振蕩差異是一個誘人的想法呢？這可以解決標準模型遇到的一個問題。根據標準模型，我們可以轉換能量至物質，反之亦然。但是當能量被轉換成為物質時，應該有等量的反物質也被創造。在宇宙大爆炸時，存在著大量的能量。因此，我們的宇宙應當包含等量的物質和反物質，但是為什麼今天看到的宇宙只剩下物質？我們並不知道答案。

在1956年吳健雄的實驗中表明，弱核力定律支配著我們宇宙中的物質，支配著一個鏡像宇宙中的反物質。因此這個差異可能體現在物質和反物質中微子振蕩的差異性。如果科學家觀測到這些振蕩的不對稱性，很可能就揭開了關於物質-反物質的不對稱性之謎。

此外，DUNE實驗室還有其它的功能。例如，它能夠探測發生在銀河系和鄰近星系中的超新星釋放的中微子。同時，它可用於搜尋宇宙中的極端事件中釋放出的中微子，比如中子星合併，或者黑洞之間的相互作用。

△ 對中微子的研究可以更好的幫助我們理解物質的起源，力的統一和黑洞的形成。（圖片來源：DUNE）

同時，DUNE實驗室還將尋找質子衰變的信號。標準模型預測質子非常穩定，並且不會發生衰變。通過實驗我們知道如果質子發生衰變，其半衰期將比10^34年更長。然而，一些標準模型的延伸新理論預測質子會在比當前的極限略長一些的時間裡發生衰變。因此，如果DUNE實驗室觀察到了質子衰變，這將有助於我們更加深刻地理解物質的穩定性和力的大統一之間的關係。

DUNE被認為是美國未來幾十年的旗艦實驗，來自全球的1000多位科學家都參與到這個實驗，屆時他們將對實驗獲得的數據進行分析，觀察中微子是否將再次表現出意想不到的行為。

本文轉載自《原理》微信公眾號

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