尋找宇宙大爆炸中微子

田也

宇宙學(xué)家認(rèn)為，每時(shí)每刻都有千百億個(gè)中微子快速穿過(guò)人體而不會(huì)讓我們感到任何不適。據(jù)稱，這些體量巨大的亞原子粒子直接源于宇宙大爆炸時(shí)代，而不是來(lái)自太陽(yáng)或者其他物體。對(duì)這一說(shuō)法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將會(huì)為人們了解早期宇宙和中微子物理學(xué)提供開(kāi)創(chuàng)性的見(jiàn)解。但是，人們將如何研究這個(gè)令人捉摸不透的物質(zhì)？它神出鬼沒(méi)，視1光年厚的“銅墻鐵壁”為無(wú)物，來(lái)去自如地穿梭其間。

在美國(guó)能源部管控的普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室，由物理學(xué)家克里斯·特里領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用中微子可以被氚元素捕獲這一奇怪的物理事實(shí)來(lái)捕捉這些幾乎沒(méi)有任何質(zhì)量的大爆炸殘余物。氚是氫的放射性同位素，大爆炸中微子可以為氚在衰變過(guò)程中釋放出的電子（或β粒子）提供微量能量。

特里創(chuàng)立了一個(gè)原實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)測(cè)量其對(duì)電子施加的額外能量來(lái)探測(cè)大爆炸產(chǎn)生的中微子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的精確度是空前的。定位這些中微子就像“在人滿為患的體育場(chǎng)里探測(cè)微弱的心跳一樣（艱難）”，該項(xiàng)目的總工程師查爾斯·金泰爾在談起這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)這樣說(shuō)。

該項(xiàng)目被特里稱為“托勒密”工程，其全稱為“普林斯頓氚觀測(cè)臺(tái)——探索光和宇宙早期產(chǎn)生的大量中微子”。托勒密是古希臘的天文學(xué)家，生活在公元1世紀(jì)時(shí)的古埃及。

最黑暗、最寒冷的實(shí)驗(yàn)條件

特里的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了迄今最暗、最冷的實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)任務(wù)需要使測(cè)量一個(gè)電子能量的精度達(dá)到能夠探測(cè)到中微子質(zhì)量的程度。就在不久以前，中微子還一度被認(rèn)為完全沒(méi)有質(zhì)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)基礎(chǔ)是量子電子學(xué)（這個(gè)物理學(xué)的分支專門(mén)探討物質(zhì)中電子行為的量子物理學(xué)效應(yīng)），目標(biāo)是探測(cè)大爆炸中微子產(chǎn)生的微小的額外能量。

為什么大爆炸中微子提供的額外能量格外少？這些大爆炸殘余物的獨(dú)特之處在于，它們的波長(zhǎng)被不斷膨脹的宇宙拉長(zhǎng)，溫度逐漸冷卻。我們生活于其中的宇宙時(shí)空經(jīng)歷了幾乎137億年的膨脹過(guò)程，正是這種膨脹讓大爆炸中產(chǎn)生的數(shù)量龐大的中微子冷卻下來(lái)，溫度值只有最初的數(shù)十億分之一。因此，比起那些源于太陽(yáng)的中微子，它們通常具有較少的能量。當(dāng)這些冷卻的中微子被氚捕獲時(shí)，將創(chuàng)造出一個(gè)狹窄的能量峰值，該峰值僅高于從氚的衰變中釋放出的電子的最大能量值。

困難并未就此結(jié)束，確認(rèn)大爆炸殘余物的工作仍然任重道遠(yuǎn)。中微子可以表現(xiàn)出多種形態(tài)，因此得出的峰值就有可能稍高或者稍低一點(diǎn)。跟大多數(shù)普通物質(zhì)粒子都有一個(gè)相應(yīng)的反物質(zhì)粒子一樣，中微子也可以有反中微子。不過(guò)，中微子也可能更另類一些，比如它本身有可能就是自己的反物質(zhì)粒子。這兩者（具有對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子或者本身就是反物質(zhì)粒子）之一決定了測(cè)量峰值的高低。如果中微子在幾十億年的衰變過(guò)程中變成了某種更輕的未知粒子，那么，額外的能量峰值可能根本不會(huì)出現(xiàn)。

最尖端的科技

特里說(shuō)，進(jìn)行“托勒密”實(shí)驗(yàn)的精密設(shè)備完全有能力達(dá)到檢測(cè)大爆炸中微子所需要的精確度。這項(xiàng)尖端科技將被用于普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的另外一項(xiàng)重大實(shí)驗(yàn)，即驗(yàn)證長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)大爆炸中微子在宇宙中的密度的種種假設(shè)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)假設(shè)進(jìn)行證實(shí)可以同時(shí)驗(yàn)證宇宙起源標(biāo)準(zhǔn)模型理論，反之，對(duì)理論假說(shuō)的證偽將推翻標(biāo)準(zhǔn)模型理論，并因此催生出關(guān)于宇宙大爆炸及其后續(xù)演變的新觀點(diǎn)、新理論。同時(shí)，找到中微子也能揭示有關(guān)暗物質(zhì)的來(lái)源問(wèn)題——它們也許是這種看不見(jiàn)的物質(zhì)的來(lái)源。

這一發(fā)現(xiàn)的意義將是曠古的。“‘托勒密實(shí)驗(yàn)’是否真的會(huì)對(duì)人們認(rèn)識(shí)宇宙做出長(zhǎng)遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)？”特里在項(xiàng)目演說(shuō)中如是問(wèn)道。他給出的答案是：“實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)貢獻(xiàn)將是毋庸置疑的。我們認(rèn)為人類生活在一片擁有140億歲高齡的中微子的海洋里。事實(shí)果真如此嗎？”

普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的原型機(jī)或許藏有神秘之鑰，能夠解開(kāi)所有謎團(tuán)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備由一對(duì)超導(dǎo)磁體組成，這對(duì)磁體連接在一個(gè)直徑152.4厘米的圓柱形真空室的兩端。真空室的一端安置了一個(gè)含有微量氚元素的容器，另一端則安置了一個(gè)由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供的量熱計(jì)，用來(lái)測(cè)量電子的能量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在氚的衰變過(guò)程中釋放出的電子會(huì)被導(dǎo)向磁場(chǎng)的磁力線，然后讓這些電子通過(guò)真空室的濾波器。經(jīng)過(guò)濾波器的“篩選”，可以分離出不同能量級(jí)的電子，最終留下能量級(jí)最高的電子，然后用量熱計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

阻止噪音

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)隨機(jī)性熱噪音源保持密切關(guān)注，因?yàn)樵胍魰?huì)擾亂真空室兩端的精密儀器的正常運(yùn)行。研究人員會(huì)在納米材料的石墨烯中儲(chǔ)存氚（石墨烯是只有一個(gè)原子直徑厚度的碳層），以確保從氚元素的衰變過(guò)程中釋放出的電子“干干凈凈”地流入真空室中。

真空室另一端的量熱計(jì)連接在一個(gè)溫度設(shè)定為70mK至100mK的冰箱上，這個(gè)溫度只有宇宙深空溫度的1/20，不到1K（絕對(duì)零度就是開(kāi)爾文溫度標(biāo)，即K定義的零點(diǎn)。0K約等于-273.15℃）的1/10。這種深度凍結(jié)的環(huán)境將使量熱計(jì)巧妙地停留在兩種狀態(tài)之間：一種是超導(dǎo)狀態(tài)，電子可以在其中流動(dòng)而不受任何阻力影響;一種是非超導(dǎo)狀態(tài)，電子的流動(dòng)會(huì)受到電阻的阻礙。兩種狀態(tài)間這種微妙的平衡，加上極低的噪音環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了只有量子電子學(xué)具備的條件，為實(shí)驗(yàn)裝置提供了精確測(cè)量所需要的靈敏度。當(dāng)一個(gè)電子撞擊到量熱計(jì)時(shí)，這種靈敏度極高的儀器可以測(cè)量出該電子的能量。特里說(shuō)，在電子能量的測(cè)量領(lǐng)域，他們使用的量熱計(jì)具備了過(guò)去同類儀器從未有過(guò)的精確度。

負(fù)責(zé)普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的副主任、“托勒密”項(xiàng)目的主管亞當(dāng)·科恩認(rèn)為，這一實(shí)驗(yàn)“非常完美地匹配了儀器的技術(shù)參數(shù)和功能”，包括如何處理氚、操作一個(gè)合成納米材料的實(shí)驗(yàn)室以及10年以上運(yùn)行磁體和真空容器的經(jīng)驗(yàn)、構(gòu)建膨脹實(shí)驗(yàn)的空間等。

文化融合

“托勒密”實(shí)驗(yàn)吸引了越來(lái)越多的學(xué)生、科研人員、訪問(wèn)學(xué)者以及高水平物理學(xué)家來(lái)到普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室。這種人員的流動(dòng)將產(chǎn)生一種“雜交”效應(yīng)，提升實(shí)驗(yàn)室在核聚變和等離子體物理學(xué)方面的研究水平，推動(dòng)人類科學(xué)，特別是空間科學(xué)的發(fā)展。

對(duì)特里來(lái)說(shuō)，“托勒密”實(shí)驗(yàn)將會(huì)成為通往其他研究領(lǐng)域的門(mén)戶，“推開(kāi)一扇新探索領(lǐng)域的大門(mén)，你將收獲無(wú)盡可能”。