“深層地下中微子實(shí)驗(yàn)室(DUNE)”將探測(cè)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(shí)驗(yàn)室(DUNE)”設(shè)立在美國(guó)南達(dá)科塔州霍姆斯特克金礦，它將探測(cè)位于伊利諾斯州費(fèi)爾米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室制造的中微子。

　　新浪科技訊 北京時(shí)間7月31日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)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(huì)顯要人物做出一個(gè)重要決定，使一些科學(xué)夢(mèng)想進(jìn)一步成為現(xiàn)實(shí)：他們將建造一個(gè)巨大的地下實(shí)驗(yàn)室，有望揭曉支配宇宙的重要規(guī)則。

　　這個(gè)最新科學(xué)設(shè)備叫做“深層地下中微子實(shí)驗(yàn)室（DUNE）”，將部署在桑福德地下研究機(jī)構(gòu)（SURF），這里曾經(jīng)是南達(dá)科塔州霍姆斯特克金礦。DUNE實(shí)驗(yàn)室將探測(cè)叫做中微子的亞原子微粒，距離芝加哥以西費(fèi)爾米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室1280公里。

　　DUNE是一個(gè)重大科研項(xiàng)目，來(lái)自全球1000多位科學(xué)家參與該項(xiàng)目，該探測(cè)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(gè)洞穴，工人需要挖掘80萬(wàn)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(xiàng)挖掘工作需要南達(dá)科塔州大概2000個(gè)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(duì)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(shí)產(chǎn)生的，這一過(guò)程叫做“β衰變”。事實(shí)上，在3種已知亞原子作用力中（電磁、或強(qiáng)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(wú)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(yáng)。太陽(yáng)每秒噴射大量的中微子，盡管地球與太陽(yáng)的平均距離大約是1.5億公里，平均每秒太陽(yáng)噴射抵達(dá)地球的中微子數(shù)量大約100萬(wàn)億，這些中微子根本不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成威脅。

　　為了讓人們真實(shí)理解這一過(guò)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?gòu)睦碚摻嵌染哂幸欢ā艾F(xiàn)實(shí)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(lái)自太陽(yáng)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(yáng)中微子，這塊鉛板非常厚，足以填補(bǔ)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(guò)4光年。如果中微子能夠多數(shù)穿過(guò)鉛板，那么它肯定能夠穿過(guò)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(huì)讓人們關(guān)注呢？在過(guò)去1個(gè)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(wú)法長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)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(dòng)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(guò)程。

　　1930年，物理學(xué)家沃爾夫?qū)�·保利（Wolfgang Pauli）提出中微子是無(wú)形的，本質(zhì)上是無(wú)法察覺(jué)的微粒，它們可用于解釋?duì)滤プ冞^(guò)程。直到1956年，科學(xué)家探測(cè)到一個(gè)核反應(yīng)堆釋放中微子，運(yùn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，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(gè)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(cè)到，它不太可能出現(xiàn)在一個(gè)鏡相宇宙之中，也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)方向發(fā)現(xiàn)切換，例如：左右交換，上下顛倒等。

　　這一觀點(diǎn)與強(qiáng)核力和電磁學(xué)形成鮮明的對(duì)比，這種方向的切換是可以實(shí)現(xiàn)的。但由于弱核力不遵循這種上下、左右對(duì)稱的方向切換類型，如果愛(ài)麗絲穿過(guò)這樣的鏡面，她將遭遇一個(gè)真實(shí)、但不同于我們的現(xiàn)實(shí)世界。最終，俄羅斯物理學(xué)家列弗·朗多（Lev Landau）證實(shí)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(xiàng)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(gè)世紀(jì)60年代，中微子帶給我們多個(gè)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(fèi)爾米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)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(gè)奧運(yùn)會(huì)游泳池大小的桶狀結(jié)構(gòu)裝滿干洗液作為一個(gè)中微子探測(cè)器，探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子，干洗液中的氯與太陽(yáng)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(guò)測(cè)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(cè)器也設(shè)立在霍姆斯特克金礦。

　　雖然大衛(wèi)觀測(cè)了太陽(yáng)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(gè)錯(cuò)誤的測(cè)量或者預(yù)測(cè)，但后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，他的測(cè)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(shí)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(gè)變體演變至其它的變體，這種變體過(guò)程叫做“中微子振蕩”，因?yàn)橹形⒆涌赡軓囊环N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(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家證實(shí)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(shí)很容易通過(guò)使用粒子加速器獲得，在美國(guó)、歐洲和日本，科學(xué)家能夠產(chǎn)生中微子束，最強(qiáng)大的中微子束形成于費(fèi)爾米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室。在美國(guó)明尼蘇達(dá)州北部礦坑進(jìn)行一項(xiàng)叫做“主射中微子碰撞搜索（MINOS）”的早期實(shí)驗(yàn)中，費(fèi)爾米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室朝向MINOS探測(cè)器發(fā)射中微子束穿過(guò)地球（中微子很少相互作用，所以沒(méi)有隧道，中微子幾乎能夠貫穿地球）。

　　MINOS實(shí)驗(yàn)從2005年運(yùn)行至2016年，一項(xiàng)叫做“NuMI離軸中微子外觀（NOVA）”的后續(xù)實(shí)驗(yàn)于2014年開始，這個(gè)遙遠(yuǎn)的探測(cè)器位于明尼蘇達(dá)州的灰河。因此，費(fèi)爾米國(guó)立加速實(shí)驗(yàn)室自然地成為釋放中微子至DUNE的實(shí)驗(yàn)室，此次實(shí)驗(yàn)室設(shè)置在南達(dá)科塔州，而不是明尼蘇達(dá)州。

　　為什么科學(xué)家希望建立DUNE實(shí)驗(yàn)室呢？當(dāng)然，DUNE實(shí)驗(yàn)室能夠更好地描述中微子振蕩的特性，但是這里存在一個(gè)問(wèn)題非常吸引人。費(fèi)爾米國(guó)立加速實(shí)驗(yàn)室能夠同時(shí)制造中微子和反物質(zhì)中微子，并且DUNE實(shí)驗(yàn)室可以同時(shí)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(cè)，這兩種振蕩是相同的，目前DUNE實(shí)驗(yàn)室可以驗(yàn)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(shí)會(huì)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(shí)驗(yàn)表明，弱核力法則支配著我們宇宙中的物質(zhì)，支配著一個(gè)鏡相宇宙中的反物質(zhì)。因此它們的差異可能證實(shí)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(cè)到這些振蕩的不對(duì)稱性，很可能揭示了物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱性。

　　DUNE實(shí)驗(yàn)室還具有其它的功能，例如：能夠探測(cè)到銀河紗和鄰近星系中超新星釋放的中微子。同時(shí)，它可用于搜尋中子星合并時(shí)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(shí)，DUNE實(shí)驗(yàn)室還將搜尋質(zhì)子衰變，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)質(zhì)子非常穩(wěn)定，并且不會(huì)發(fā)生衰變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)。然而，一些最新理論延伸了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，在時(shí)間尺度上，質(zhì)子衰變時(shí)間可能僅比當(dāng)前極限略長(zhǎng)一些。因此，如果DUNE實(shí)驗(yàn)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(shí)，觀察到的質(zhì)子衰變能量將高于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)獲得的數(shù)據(jù)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最強(qiáng)大的高能粒子加速器。

　　DUNE實(shí)驗(yàn)室被認(rèn)為是美國(guó)未來(lái)幾十年的“旗艦實(shí)驗(yàn)室”，大量的國(guó)際合作專家將對(duì)實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)可能的，它不會(huì)是第一次令我們感到吃驚。（葉傾城）