“深層地下中微子實驗室(DUNE)”將探測到1280公里之外的幽靈微粒，或?qū)⒔視灾�配宇宙的神秘法則。

　　“深層地下中微子實驗室(DUNE)”設(shè)立在美國南達科塔州霍姆斯特克金礦，它將探測位于伊利諾斯州費爾米國家加速器實驗室制造的中微子。

　　新浪科技訊 北京時間7月31日消息，據(jù)國外媒體報道，大科學(xué)事件通常意味著需要努力思考和聰明的規(guī)劃，這將研制出最尖端的科學(xué)設(shè)備，并有望獲得突破傳統(tǒng)的重大發(fā)現(xiàn)。目前，科學(xué)界權(quán)威人士和應(yīng)邀的社會顯要人物做出一個重要決定，使一些科學(xué)夢想進一步成為現(xiàn)實：他們將建造一個巨大的地下實驗室，有望揭曉支配宇宙的重要規(guī)則。

　　這個最新科學(xué)設(shè)備叫做“深層地下中微子實驗室（DUNE）”，將部署在桑福德地下研究機構(gòu)（SURF），這里曾經(jīng)是南達科塔州霍姆斯特克金礦。DUNE實驗室將探測叫做中微子的亞原子微粒，距離芝加哥以西費爾米國家加速器實驗室1280公里。

　　DUNE是一個重大科研項目，來自全球1000多位科學(xué)家參與該項目，該探測器非常龐大，并需要建造在霍姆斯特克礦1500米深的一處地下洞穴中，為了制造這個洞穴，工人需要挖掘80萬噸巖石，其重量相當(dāng)于八艘現(xiàn)代航空母艦的重量。在高峰期此項挖掘工作需要南達科塔州大概2000個工作崗位。

　　幽靈粒子

　　中微子是亞原子微粒，但它不同于質(zhì)子、中子和電子，它們對于構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)不具有關(guān)鍵角色，它們是地球上放射性元素衰變時產(chǎn)生的，這一過程叫做“β衰變”。事實上，在3種已知亞原子作用力中（電磁、或強和或弱的核力），中微子僅能感知微弱的力量，由于中微子的弱作用力，它們很少與其它物質(zhì)發(fā)生交互。

　　這些幽靈粒子在宇宙無所不在，除了形成于β輻射，它們還大量出現(xiàn)在核反應(yīng)堆中。雖然分布全球的核電站也能制造中微子，但最大的核反應(yīng)還是出現(xiàn)在太陽。太陽每秒噴射大量的中微子，盡管地球與太陽的平均距離大約是1.5億公里，平均每秒太陽噴射抵達地球的中微子數(shù)量大約100萬億，這些中微子根本不會對人體構(gòu)成威脅。

　　為了讓人們真實理解這一過程，假設(shè)你是一位中微子恐怖癥者，希望屏蔽持續(xù)降落至身體上的中微子。這是可能的，至少從理論角度具有一定“現(xiàn)實意義”。中微子與物質(zhì)發(fā)生微弱交互作用，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。鉛板需要足夠厚度，能夠阻擋一半的太陽中微子，這塊鉛板非常厚，足以填補地球和第二顆鄰近恒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。如果中微子能夠多數(shù)穿過鉛板，那么它肯定能夠穿過人體，就此而言，甚至包括地球。

　　令人驚奇的中微子

　　為什么中微子會讓人們關(guān)注呢？在過去1個多世紀(jì)里，中微子曾多次令科學(xué)家感到驚奇，盡管中微子在β衰變中釋放中微子，它們的交互作用非常弱，之前科學(xué)家無法長時間探測到它們的存在。因此，它看上去就像β衰變打破了物理定律，能量和動量似乎并不守恒，換句話講，最初原子核能量并不能完全解釋它的衰變過程。

　　1930年，物理學(xué)家沃爾夫?qū)�·保利（Wolfgang Pauli）提出中微子是無形的，本質(zhì)上是無法察覺的微粒，它們可用于解釋β衰變過程。直到1956年，科學(xué)家探測到一個核反應(yīng)堆釋放中微子，運行這項實驗的科學(xué)家是弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）和克萊德·考恩（Clyde Cowan），在他們決定使用不引人注目的反應(yīng)堆之前，考慮試圖從核爆炸中捕捉中微子脈沖。

　　同樣在1956年，科學(xué)家吳健雄（音譯）進行了另一項實驗，他使用鈷原子核的β衰變顯示了控制中微子的力量，弱核力擁有一個驚人的特征，涉及弱核力的現(xiàn)象可在我們熟悉的宇宙中觀測到，它不太可能出現(xiàn)在一個鏡相宇宙之中，也就是說，當(dāng)一個方向發(fā)現(xiàn)切換，例如：左右交換，上下顛倒等。

　　這一觀點與強核力和電磁學(xué)形成鮮明的對比，這種方向的切換是可以實現(xiàn)的。但由于弱核力不遵循這種上下、左右對稱的方向切換類型，如果愛麗絲穿過這樣的鏡面，她將遭遇一個真實、但不同于我們的現(xiàn)實世界。最終，俄羅斯物理學(xué)家列弗·朗多（Lev Landau）證實稱，控制宇宙物質(zhì)的法則支配著鏡相宇宙中的反物質(zhì)，或者物質(zhì)和反物質(zhì)都是鏡相圖像。這項發(fā)現(xiàn)涉及中微子和弱核力，可能重新改寫科教書相關(guān)內(nèi)容。

　　行為怪異的粒子

　　上個世紀(jì)60年代，中微子帶給我們多個驚喜。1962年，物理學(xué)家利昂·萊德曼（Leon Lederman）、梅爾文·施瓦茲（Melvin Schwartz）和杰克·施泰因貝格爾（Jack Steinberger）發(fā)現(xiàn)存在兩種類型的中微子（2000年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在費爾米國家加速器實驗室發(fā)現(xiàn)第三種類型的中微子）。更大的驚喜發(fā)生在當(dāng)化學(xué)家戴維斯·大衛(wèi)（Raymond Davis）試圖使用一個奧運會游泳池大小的桶狀結(jié)構(gòu)裝滿干洗液作為一個中微子探測器，探測到來自太陽的中微子，干洗液中的氯與太陽中微子發(fā)生交互反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換成放射性氬和電子，通過測量氬，科學(xué)家間接地發(fā)現(xiàn)了中微子，有趣的是，大衛(wèi)的中微子探測器也設(shè)立在霍姆斯特克金礦。

　　雖然大衛(wèi)觀測了太陽中微子，但是他僅看到自己預(yù)期的三分之一，盡管這可能是一個錯誤的測量或者預(yù)測，但后續(xù)實驗表明，他的測量是正確的。差異的原因可能是中微子在傳輸狀態(tài)中持續(xù)衰減，但事實證明，這并不是真正的答案。另一種可能性是中微子可以從一個變體演變至其它的變體，這種變體過程叫做“中微子振蕩”，因為中微子可能從一種類型變形至另一種，并再次轉(zhuǎn)變成最初類型。在1998至2001年之間的一系列實驗中，科學(xué)家證實了中微子振蕩的存在。

　　神秘的反物質(zhì)

　　中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)將有助于科學(xué)家更好地理解這一現(xiàn)象，這些信息知識很容易通過使用粒子加速器獲得，在美國、歐洲和日本，科學(xué)家能夠產(chǎn)生中微子束，最強大的中微子束形成于費爾米國家加速器實驗室。在美國明尼蘇達州北部礦坑進行一項叫做“主射中微子碰撞搜索（MINOS）”的早期實驗中，費爾米國家加速器實驗室朝向MINOS探測器發(fā)射中微子束穿過地球（中微子很少相互作用，所以沒有隧道，中微子幾乎能夠貫穿地球）。

　　MINOS實驗從2005年運行至2016年，一項叫做“NuMI離軸中微子外觀（NOVA）”的后續(xù)實驗于2014年開始，這個遙遠(yuǎn)的探測器位于明尼蘇達州的灰河。因此，費爾米國立加速實驗室自然地成為釋放中微子至DUNE的實驗室，此次實驗室設(shè)置在南達科塔州，而不是明尼蘇達州。

　　為什么科學(xué)家希望建立DUNE實驗室呢？當(dāng)然，DUNE實驗室能夠更好地描述中微子振蕩的特性，但是這里存在一個問題非常吸引人。費爾米國立加速實驗室能夠同時制造中微子和反物質(zhì)中微子，并且DUNE實驗室可以同時使用這兩組數(shù)據(jù)研究物質(zhì)和反物質(zhì)中微子的振蕩特性。依據(jù)科學(xué)家的預(yù)測，這兩種振蕩是相同的，目前DUNE實驗室可以驗證這一情況。

　　為什么物質(zhì)和反物質(zhì)中微子存在著振蕩差異呢？可以使用“標(biāo)準(zhǔn)模型”來解決這個問題，標(biāo)準(zhǔn)模型表明，我們可以轉(zhuǎn)換能量至物質(zhì)，反之亦然。但是當(dāng)能量轉(zhuǎn)換成為物質(zhì)，將形成大量的反物質(zhì)，在宇宙大爆炸時會產(chǎn)生大量能量，因此我們的宇宙應(yīng)當(dāng)包含相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，但是為什么僅剩下物質(zhì)，我們卻并不知曉。

　　1956年科學(xué)家吳健雄的實驗表明，弱核力法則支配著我們宇宙中的物質(zhì)，支配著一個鏡相宇宙中的反物質(zhì)。因此它們的差異可能證實物質(zhì)和反物質(zhì)中微子碰撞的差異性。如果科學(xué)家觀測到這些振蕩的不對稱性，很可能揭示了物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱性。

　　DUNE實驗室還具有其它的功能，例如：能夠探測到銀河紗和鄰近星系中超新星釋放的中微子。同時，它可用于搜尋中子星合并時暴力天文事件釋放的中微子，或者可以揭曉關(guān)于黑洞的交互作用。

　　同時，DUNE實驗室還將搜尋質(zhì)子衰變，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測質(zhì)子非常穩(wěn)定，并且不會發(fā)生衰變。通過實驗我們知道如果質(zhì)子發(fā)生衰變，其半衰期將比10^34年更長。然而，一些最新理論延伸了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測結(jié)果，在時間尺度上，質(zhì)子衰變時間可能僅比當(dāng)前極限略長一些。因此，如果DUNE實驗室觀察到了質(zhì)子衰變，這將有助于我們更加深刻地理解宇宙，同時，觀察到的質(zhì)子衰變能量將高于大型強子對撞機獲得的數(shù)據(jù)，大型強子對撞機是世界上最強大的高能粒子加速器。

　　DUNE實驗室被認(rèn)為是美國未來幾十年的“旗艦實驗室”，大量的國際合作專家將對實驗室獲得的數(shù)據(jù)進行分析，觀察是否中微子將出乎人們的意料之外，如果這是真實可能的，它不會是第一次令我們感到吃驚。（葉傾城）