地下2 100米的偉大研究

老喬

2015年的夏天，筆者有幸參觀了薩德伯里中微子觀測站實驗室，實驗室位于加拿大東部的魁北克省的小鎮薩德伯里，距離多倫多約400千米。

薩德伯里是一座在100多年前因采礦業而興建起來的小城，以豐富的鎳礦聞名于世。如今漫步城中，很難想象這座美麗的生態城市曾經遭受過重度的工業污染，近幾年才逐步恢復生機。

淡水河谷公司（Vale）的克萊頓礦區在這座城市的最西邊，那兒有加拿大最深的鎳礦礦井。礦業公司將礦井2 100米深處的一處礦道租借給了科學家們建造地下實驗室，進行粒子物理學的研究。在初期，實驗室的建造是為了開展薩德伯里中微子觀測（SNO）實驗，這也是實驗室名字的由來。在SNO實驗進行的同時，人們又擴建了實驗室，給當前和未來的實驗研究提供更大的實驗空間和更先進齊全的設備。這個實驗室里誕生了2015年諾貝爾物理學獎獲得者加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納。

說到這里，讀者們肯定會有疑問：為什么要在地底下建造實驗室？中微子是什么？為什么要探測中微子？以下就讓我們全面了解一下這個全球著名的極深地下試驗室之一的SNO實驗室。

“狡猾”的中微子到底是何方神圣？

SNO實驗的開展，是為了測量太陽中微子，因而在介紹這個實驗室之前，我們必須先要了解中微子是何方神圣，聽說是個非常“狡猾”的家伙。

中微子是一種微觀粒子，它是在核反應或放射性衰變等過程中產生的。在1930年，人們通過β衰變的實驗結果，首先從理論上預言了它的存在。在這個過程中，原子核內的中子通過釋放電子和中微子轉變成了質子（這里產生的電子在早期被稱為β粒子，因此這種放射性衰變稱為β衰變）。它的質量極小，大約是電子的1/200，在空間里自由飛行時的速度接近光速。中微子不帶電，幾乎不會和日常物質里的原子發生反應，所以它可以輕而易舉地穿過物體，如同神話里穿墻的茅山術士。中微子的這個性質讓它很難被人們捕捉到，顯得非常“狡猾”，想象一下：在中午的時候，翹起你的大拇指，每秒鐘都會有大約幾百億個來自太陽的中微子穿過你的大拇指指甲，但是你卻沒有任何感覺。盡管捕捉中微子的難度極大，人們依舊憑借聰明才智和努力的汗水，先是在1956年的時候證實了它的存在，隨后又開展了各項捕捉和研究中微子性質的實驗。研究中微子可以幫助粒子物理學家更好地理解基本粒子的行為，從而對物理學有更深層次的理解；另外，研究恒星、超新星的天體物理學家也對中微子情有獨鐘。

位于加拿大的SNO實驗室為什么要建在地底下呢？

太陽在熱核反應時會釋放出大量中微子，這些中微子攜帶有太陽內核的信息，可以幫助人們認識太陽內核的反應。為了探測太陽中微子，來自加拿大、美國和英國的科學家在地下空間里建造了這個實驗室。可是為什么要將實驗室建在地下呢？

原來，中微子在探測裝置里產生的信號非常微弱，在宇宙中還存在其他粒子組成的束流，稱為宇宙射線。它們的能量一般很高，與大氣層中的分子作用，又會產生大量其他的粒子。這些粒子的信號會干擾中微子的探測信號。但是，由于它們大部分都帶電，可以與物質相互作用從而被吸收掉。就像核電站采用厚厚的混凝土板來阻擋反應堆里產生的有害射線一樣，這里把實驗室放到很深的地底下，利用實驗室上面的土壤和巖石來阻擋這些干擾射線，把這些干擾降到最低。SNO實驗室原來是世界上最深的地下實驗室（距地面約2 000米），現在已被中國的錦屏山地下實驗室所超越（距地面約2 400米）。

認識世界的本原，怎么這么難？

莊子云：“一尺之錘，日取其半，萬世不竭。”莊子認為：拿一尺長（約33厘米）的木杖，先切掉一半，然后剩下的再切一半，可以永遠切下去。然而，科學家們卻有一種信仰，莊子所設想的每天切木杖，并非“萬世不竭”，而是總有一天會到達極限，得到的是世界上最基本的物質——組成世界的本原。我們繽紛復雜世界，最終可以還原成這種最基本的物質的排列組合。

然而目前，電子、夸克、中微子和其他幾種微觀粒子是科學家們所發現的最基本的粒子。科學家們對此遠遠不滿意，依然希望能研究清楚它們的性質和相互之間的聯系，從而找出它們背后更本質的東西。其中，中微子有著非常神秘的性質：早期的太陽中微子探測實驗發現，所探測到的太陽中微子數量大致為預測的1/3到1/2，是描述太陽核反應的理論錯了，還是“狡猾”的中微子有未知的性質？認識世界的本原，怎么就這么難！

當時有一種理論認為，從太陽內核產生的電子型中微子在飛向地球的途中會“變身”成其他類型的中微子，而之前的實驗只能測量電子型中微子，所以造成了丟失。到了1984年，加州大學的教授，美籍華人陳華生提出了一種利用 重水作為探測介質來測量太陽中微子的實驗方案。由于不同種類的中微子和重水里的氘、電子發生反應，會產生三種不同的信號。通過區分和比較這些不同的信號，就可以清晰地看出電子型中微子和未知種類的中微子在數量上的比例和中微子的總量，從而解決太陽中微子問題。陳華生為了實現他的想法，在美國和加拿大之間奔走，最終決定利用在加拿大薩德伯里礦山中的地下空間，建造實驗室和實驗用的重水探測裝置——SNO探測器。

SNO實驗的建造和測試運行前后歷經了18年，其中還包括了長達8年的瓶頸期。在這漫長的時間里，加拿大科學家亞瑟·麥克唐納德率領研究團隊最終在2001年完成了太陽中微子的測量，證實了中微子并未丟失，只是“變身”了，揭開了太陽中微子之謎。

還記得參觀實驗室的那天，清晨不到五點，我們便動身出發，趕6點鐘下礦的那班升降籠。在蜿蜒的小道上飛馳不久，便能看見幾根煙囪和遠處一座綠色的沒有窗戶的大廈——那是從礦井運輸礦物的升降機，SNO實驗室的地面辦公樓就在它的旁邊。

隨后，管理員南茜幫我們領取裝備，指示我們進行訪客登記。我們各自領到了姓名牌和礦工裝備：一雙沉重的防護靴、頭盔、插在頭盔上的小手電和一件帶有反光物質的連體服。懷特先生是實驗室的安全總負責人，他是一個嚴肅、沉默寡言的老人，體格健壯硬朗。在他的帶領下，我們步履蹣跚地走到對面的礦井大樓的入口處，六點鐘的時候，清脆的上工鈴聲響了。升降籠的操作員鳴笛示意，打開閘門，我們和SNO實驗室的科學家、礦工們依次進入。大家緊緊抓住扶手站穩后，操作員再次鳴笛，開始下降。升降籠的速度可達10米/秒，耳旁呼呼成風，耳朵有一種脹痛感。十幾分鐘的時間，我們便抵達了2 100米的礦道。

懷特先生帶著我們依次進入各個工作區域進行參觀。第一個便是SNO實驗區域。目前SNO實驗正在進行升級工作，開展“SNO+”實驗。在操作間，幾位工程師正緊張地監控著探測器的液體運行。接著是SNO探測器的控制室。在進入之前，又需要在一個類似電話亭的風淋室中，讓吹出來的風再次除塵。因為安全的原因，我們不能過去張望，親眼目睹SNO探測器。接下來參觀的分別是Picasso暗物質實驗區和DEAP/MiniCLEAN暗物質探測實驗區，整個過程約2小時。

返回地面，整理好行裝的時候已經是下午4點了。薩德伯里的夏天一般為25度左右，太陽要到9點后才落山。我們在這清爽美好的夏季，進入了幽暗的地下世界，尋訪了人類因為純粹的對于真理的追求，耗費了大量人力和物力建造的實驗和實驗室，真是大開眼界。然而人類的追求永遠不會停止：目前，我國的錦屏山實驗室（2 400米）在深度上已趕超了SNO實驗室。一系列比當年的SNO探測器更大、技術更先進的實驗正在馬不停蹄地籌備中……我們要保持樂觀的精神，相信人類在解決未知的道路上所做的努力，必然會有所收獲。

人物鏈接

陳華生和亞瑟·麥克唐納德

在SNO實驗萬事俱備即將啟動實驗建設的關鍵時刻，令人遺憾的是，才44歲的陳華生卻罹患重病，在與白血病斗爭了1年后，于1987年撒手人寰，可謂“出師未捷身先死”。如今資料上很難找到他更詳細的事跡，除了他所任職的加州大學爾灣分校的檔案里有幾段簡短的介紹：陳華生，1942年生于重慶，在戰火中長大，經歷了坎坷而艱辛的童年后，最終和家人輾轉到了美國。他依靠全額的獎學金，先后在加州理工大學、普林斯頓大學獲得了學位，在中微子的理論和實驗研究中取得了不少成果。

在他去世后，他的合作者，加拿大科學家亞瑟·麥克唐納德繼承了他的遺志，用無比堅毅的決心去實現這個實驗計劃。亞特·麥克唐納德和SNO實驗在2015年底獲得了諾貝爾物理學獎。當人們問起麥克唐納德如何克服困難和實驗成功的秘訣時，這位如今白發蒼蒼的老人滿臉笑意，和善的藍眼睛里透出了一份俏皮：“永遠保持幽默感。要把人放到合適的位置上。不要去埋怨或責備誰，去動手解決問題。”