7月21日，一群科學(xué)家、工程師和應(yīng)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(gòu)(SURF)，見證了美國即將開啟的中微子物理學(xué)的全新時代。在這里，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(zhì)的存在之謎。
這個最新實驗設(shè)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制造出來的亞原子粒子——中微子。
△ 從費米實驗室制造出來的中微子將直穿地球，傳播到距離1280公里外的SURF。（圖片來源：Fermilab）
幽靈般的粒子
中微子是亞原子粒子，但不同于質(zhì)子、中子和電子，它們在構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)中不充當(dāng)關(guān)鍵角色。中微子是在地球上放射性元素衰變時產(chǎn)生的，這一過程被稱為β衰變，特別是在中子衰變?yōu)橘|(zhì)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。由于弱核力真的很弱，因此中微子很少與其它物質(zhì)發(fā)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，但目前最大的核反應(yīng)來自太陽。太陽每秒會輻射出驚人數(shù)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，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(gòu)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(shè)你是一位中微子恐怖癥者，希望屏蔽持續(xù)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(zhì)發(fā)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。在這個情況下，如果中微子依舊能夠穿過鉛板，那么它們肯定能夠穿過人體，甚至是穿過地球。
一次次的驚喜
為什么科學(xué)家對中微子如此感興趣呢？在過去的一個世紀(jì)里，中微子為科學(xué)家?guī)砹嗽S多驚喜。盡管中微子是在β衰變中釋放出來的，但它們的作用是如此微弱，以至于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，能量和動量似乎并不守恒。
為了挽救β衰變帶來的危機，1930年，物理學(xué)家Wolfgang Pauli提出了一種無形的，本質(zhì)上無法被探測到的粒子。但直到1956年，科學(xué)家才從一個核反應(yīng)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征。涉及到弱核力的現(xiàn)象可在我們熟悉的宇宙中觀測到，但不太可能出現(xiàn)在一個鏡像宇宙中。在鏡像宇宙中，方向發(fā)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(xué)形成鮮明的對比，這種方向的互換是可以實現(xiàn)的。但由于弱核力并不遵循上下、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、但不同于我們的現(xiàn)實世界。最終，由物理學(xué)家Lev Landau證明，支配宇宙物質(zhì)的定律支配著鏡像宇宙中的反物質(zhì)，或者物質(zhì)和反物質(zhì)都是鏡像圖像。
不守規(guī)矩的粒子
上個世紀(jì)60年代，中微子帶來了更多的驚喜。1962年，物理學(xué)家
Leon Lederman、Melvin Schwartz和Jack Steinberger發(fā)現(xiàn)存在兩種類型的中微子（2000年科學(xué)家在費米實驗室發(fā)現(xiàn)第三種類型的中微子）。而更大的驚喜發(fā)生在當(dāng)化學(xué)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(jié)構(gòu)裝滿干洗液，作為一個中微子探測器。干洗液中的氯與太陽中微子發(fā)生作用，將其轉(zhuǎn)換成放射性氬和一個電子。通過測量氬，科學(xué)家間接地發(fā)現(xiàn)了中微子。
盡管Davis探測到太陽中微子，但是他僅看到自己預(yù)期的三分之一。雖然這很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！之所以產(chǎn)生差異的原因很可能是中微子在傳播過程中發(fā)生衰減，但事實證明，這并不是真正的原因。另一種可能性是中微子可以從一個變體轉(zhuǎn)變至另外兩個中的一個，這種轉(zhuǎn)變過程叫做“中微子振蕩”，因為中微子可能從一種類型轉(zhuǎn)變至另一種，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。
反物質(zhì)之謎
隨著中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家迫切的想要更好地理解這一現(xiàn)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(xué)家能夠制造中微子束，最強大的中微子束制造于費米實驗室。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(fā)射中微子束穿過地球(中微子很少與物質(zhì)作用，所以并沒有隧道，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的后續(xù)實驗于2014年開始，這個遙遠的探測器位于明尼蘇達州的灰河。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(fā)射中微子至DUNE的主實驗室，此次實驗室設(shè)置在南達科塔州，而不是明尼蘇達州。
△ DUNE將探測由費米實驗室制造的中微子。（圖片來源：Sandbox Studios）
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