追蹤“幽靈粒子”

如果沒有中微子，宇宙可能只是一片虛無。然而，這種難以捉摸的粒子不會輕易透露它的秘密。

深層地下中微子實驗中中微子的軌跡。質子束在費米實驗室的加速器裝置中產生，撞擊靶標并產生中微子束。中微子束穿過粒子探測器，經過1300千米后到達桑福德地下研究中心的探測器

中微子是一種難以探測的粒子。它不帶電荷，幾乎沒有質量，甚至沒有固定的身份：它有三種略微不同的形態，任何一個中微子都會在這三種形態之間不斷切換。每秒鐘大約有500萬億個中微子飛進你的身體，然后又不著痕跡地離開。中微子對宇宙的其他部分漠不關心。位于伊利諾伊州巴塔維亞的費米實驗室深層地下中微子實驗（DUNE）項目主管克里斯 · 莫西（Chris Mossey）說：“如果你向一堵一光年厚的鉛墻發射一個中微子，那么這個中微子有50%的概率會穿過鉛墻而不會發生任何相互作用。”

中微子可能對我們無動于衷，但我們卻無法對它們無動于衷。

近七十年來，物理學家精心制作了越來越復雜的裝置，試圖戰勝自然，探測這些看似不可探測的粒子。DUNE探測器是這些設備中最新，也是最先進的一臺：耗資32億美元、總長達1300千米的一組實驗裝置，旨在以前所未有的方式揭示中微子的蹤跡。莫西曾是一名美國海軍退役少將，如今與全球超過一千名研究人員共同努力，力爭在2031年前讓DUNE投入運行。

從表面上看，耗費如此大量的資源去追逐“幽靈”粒子似乎有些瘋狂。然而，當你理解中微子代表的意義時，這種對中微子的癡迷就變得合情合理了。莫西說道：“我發現自己經常向同事解釋，什么是中微子。”他的專業背景并不是物理學，而是美國海軍大型建設項目的工程監理。他樂于重溫自己對中微子的學習過程，并說道：“DUNE項目的科學真的令人驚嘆。它追尋的是我們試圖理解的宇宙最根本的問題：為什么物質會存在？如果能夠解答這些問題，那就是諾貝爾獎級別的成果。”

根據目前的物理學理論，宇宙誕生于一片難以想象的熾熱、致密能量海洋——也就是大爆炸。這種能量本應當產生等量的物質和反物質，它們本應完美地彼此相互湮滅，最終的結果本應該是一片虛無。然而，令人驚奇的事情發生了：物質粒子的數量以約十億分之一的比例略微地超過了反物質粒子。這微不足道的不平衡創造了巨大的差異。多余的物質粒子形成了我們看到的星系、恒星、行星，乃至人類。

沒錯，我們人類差一點不存在。我們是宇宙中的“幸運殘留物”，是物理定律中某個未知“漏洞”的意外結果。

中微子的奇特屬性，尤其是它能在不同形態間“變換”的能力，或許可以揭示出這種導致物質占據主導地位的關鍵不對稱性。僅僅搞清楚這種不平衡為何以及如何產生，就已經是一個巨大的突破。但中微子可能不僅僅是揭示宇宙早期歷史的被動信使。根據某些理論，中微子在物質的誕生過程中也發揮了積極作用，因此與大爆炸之后的一切事物息息相關。于是，這些微小的粒子以及為研究它們而建造的龐大裝置，肩負著巨大的使命。

“我們想知道為什么我們在這里——為什么我們存在，”DUNE項目副主管薩姆 · 澤勒（Sam Zeller）說道，“我們非常希望DUNE的研究成果能給出一個明確的答案。”

長期以來，物理學家一直對中微子寄予厚望。事實上，早在人們知道中微子存在之前，他們就已經開始這樣做了。

假設成真

從1914年起，英國物理學家詹姆斯 · 查德威克（James Chadwick）開始注意到，某些類型的放射性原子（如碳-14）表現異常。在一種名為β衰變的自發核反應中，原子的核會發射出高速電子。理論上，發射出的電子應該總是以相同的方式出現，攜帶的能量應當與原子核失去的能量完全一致。然而，實際結果是，電子的能量總是偏小的。更糟糕的是，這種能量差并不一致——有時差得少，有時差得多。

20世紀30年代初的詹姆斯·查德威克

查德威克發現的這種差異蘊含了令人不安的含義：放射性原子似乎違反了能量守恒定律——這是物理學中最基本的定律之一，即能量既不能被創造也不能被毀滅。這個結果如此令人震驚，以至于著名的丹麥物理學家尼爾斯 · 玻爾（Niels Bohr）提出，人們熟悉的物理定律在亞原子尺度上可能不再適用。或許在量子物理學中，能量守恒并不是一條嚴格的規則，而更像是一種統計平均值。在這種觀點下，能量可能在某處消失或創造，只要總體保持平衡即可。

玻爾的許多同事仍然抱有希望，認為查德威克可能是在測量中出現了錯誤。然而，當查德威克在1922年發布了對β衰變的詳盡研究后，這個差異已變得不可否認，而尋找一個解釋則變得更加緊迫。

最終，1930年12月，奧地利物理學家和量子理論先驅沃爾夫岡 · 泡利（Wolfgang Pauli）提出了他所謂的“絕望的補救措施”，來拯救能量守恒定律。他的想法非常奇特，以至于他通過一封詼諧的信件將這一想法傳達給在德國圖賓根開會的一群核物理學家，收信人是“親愛的放射性女士們和先生們”。泡利提出：在β衰變的瞬間是否可能出現一個看不見、不帶電的粒子？這個假設的粒子是否會帶走所需的能量，從而確保能量守恒？

當時，物理學家只知道兩種亞原子粒子：質子和電子。憑空設想一個全新的、無法探測到的粒子來解釋這一奇特的觀測結果，似乎和拋棄能量守恒定律一樣荒謬。恩里科 · 費米（Enrico Fermi）是少數幾名最早認真對待泡利這一想法的人之一，這位意大利裔物理學家后來因創建了第一個核反應堆而聞名。費米為泡利所說的粒子構建了更為完整的理論描述，并在1934年向《自然》雜志提交了一篇闡述其觀點的論文。編輯們拒絕了這篇論文，據說是因為“其中的推測過于脫離現實，無法引起讀者的興趣”。

但中微子頑強地存在于理論中。后續的實驗表明，β衰變中發射出的電子遵循特定的能量分布，這種分布與看不見粒子的存在相符，而不是無約束地違反能量守恒定律。1938年，《紐約時報》宣稱中微子“已不再只是一個假設”，這反映了物理學界的新共識。即便如此，泡利也意識到，他說的粒子將極難被探測到——難到他曾開玩笑說，他愿意用一箱香檳獎勵任何能成功探測到中微子的人。

泡利的香檳被冰封了將近二十年，直到洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家弗雷德里克 · 萊因斯（Frederick Reines）和小克萊德 · 考恩（Clyde Cowan， Jr）下定決心要徹底追蹤中微子。用萊因斯的話說：“因為每個人都說你做不到。”20世紀50年代初，萊因斯和考恩意識到，尋找中微子的最佳地點是在產生大量中微子的核反應附近，例如原子彈或核反應堆旁。他們曾短暫地考慮將中微子探測器放置在洛斯阿拉莫斯的原子彈試驗旁，隨后決定轉向一個更穩定且安全的中微子源——位于南卡羅來納州薩凡納河工廠的美國軍用核反應堆。

為了進行這項綽號為“鬼怪計劃”（Project Poltergeist）的研究，萊因斯和考恩組建了一個容積達到1400升的探測器，里面裝滿水和氯化鎘。在罕見的情況下，當中微子與鎘原子發生碰撞時，它將發出可探測到的伽馬射線。利用這一裝置，意志堅定的兩人終于在薩凡納河核反應堆中找到了中微子的明確信號。1956年6月14日，他們給泡利發了一封電報：“我們非常高興地通知您，我們已明確探測到裂變碎片產生的中微子。”泡利回信道：“功夫不負有心人。”

就這樣，中微子從理論假設變成了一個真實的粒子。

發現振蕩

既然中微子可以在受控實驗中被探測到（盡管非常困難），另一位癡迷的物理學家就希望在自然界中研究它們。他敏銳地把目光投向了我們附近最大的中微子噴發核反應堆——太陽。從1965年開始，物理學家小雷蒙德 · 戴維斯（Raymond Davis， Jr）說服布魯克海文國家實驗室的領導資助了世界上第一臺中微子望遠鏡。這個“望遠鏡”只是一個非常寬泛意義上的稱呼，因為傳統的鏡片和透鏡對中微子無用。戴維斯使用了大約40萬升富含氯的干洗液作為探測器，并將其泵入南達科他州萊德的霍姆斯塔克金礦的一個洞穴中——無獨有偶，DUNE實驗如今也正在同一地點進行。

絕大多數太陽中微子都直接穿過了干洗液，正如它們穿過其他東西一樣。與萊因斯和考恩的實驗一樣，戴維斯依靠的是中微子的巨大數量。他只需要幾個經過的中微子與水箱中數以億計的氯原子中的少數發生碰撞。當這種情況發生時，氯原子會轉變為氬原子，而戴維斯可以探測并計數這些氬原子。他的艱苦努力奏效了，但也只能算是奏效：他探測到了預期的氬原子，但數量卻完全不對。戴維斯不斷改進和校準他的實驗，直到1975年，戴維斯可以確定，來自太陽的中微子流量僅為預期值的1/3，剩下的2/3的中微子“失蹤”了。

戴維斯得出結論：要么是物理學家誤解了太陽的發光機制，要么就是他們低估了中微子的復雜性。

加拿大女王大學的天體物理學家阿瑟 · 麥克唐納（Arthur McDonald）決定押注在中微子的復雜性上，并幫助設計了一個實驗來證明這一點。正如所有中微子實驗一樣，麥克唐納提出的項目也是一項浩大的工程。在20世紀80年代，他和同事向加拿大政府提出了一個驚人的請求：“你們能借給我們4000噸重水來測量來自太陽的中微子嗎？”他回憶道：“當時這些重水的價值大約是12億美元。”

麥克唐納的靈感來自當時最新的發現，這些發現表明中微子并不是單一類型的粒子，而是一個“家族”。到20世紀70年代中期，物理學家已經推斷出中微子至少有三種不同的種類或“味道”：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。雖然沒有人能夠準確解釋為什么同一種“幽靈”粒子會有三種不同的身份，但理論表明，每種類型的中微子都與一種相應的基本粒子配對：電子、μ子和τ子。

數字“3”引起了物理學家的注意，它為戴維斯實驗中令人費解的中微子探測不足提供了解釋。或許其余2/3的中微子并沒有真正“消失”，而只是隱藏了起來。物理模型表明，太陽應該只產生一種類型的中微子——電子中微子——這也是戴維斯的實驗能夠探測到的唯一類型。

但一些理論學家提出，中微子是否可以隨時改變身份，從一種形式振蕩到另一種形式？這一理論被稱為米赫耶夫-斯米爾諾夫-沃爾芬斯坦效應（MSW效應），它與任何其他粒子的行為都不相符，但其邏輯卻很吸引人。由于中微子有三種身份可供選擇，到達地球時，只有1/3的太陽中微子仍保持電子中微子的身份。而僅這1/3的中微子也能被戴維斯的探測器捕捉到，與他的實驗結果完全吻合。

麥克唐納必須證明中微子確實會以這種兩面性（或者說，三面性）的方式振蕩。令他驚喜的是，加拿大政府提供了1000噸重水，足以啟動他的實驗，并在安大略省建立后來的薩德伯里中微子天文臺。與戴維斯實驗中的氯原子不同，重水可以與所有三種味道的中微子相互作用，這使得麥克唐納可以追蹤這些中微子，無論它們以何種形式出現。他說：“在2001年和2002年，我們能夠證明，來自太陽的中微子會從其中一種味道變成另外一種。”13年后，麥克唐納因這一研究成果分享了2015年諾貝爾獎。

中微子振蕩的發現是另一個看似晦澀難解的物理觀測結果，但卻具有深遠的影響。振蕩只有在某些中微子具有質量的情況下才有可能發生，這令理論學家們大吃一驚。“標準模型（20世紀70年代建立的關于基本力和粒子的主流理論）并沒有以任何方式預言到中微子具有質量。”辛辛那提大學的亞歷山德羅 · 索薩（Alexandre Sousa）說。他有一個很酷的頭銜——DUNE實驗的“超越標準物理模型物理聯合召集人”。中微子的質量從何而來，以及它對一般質量本質的啟示，仍然是活躍且有爭議的研究課題。

更重要的是，中微子振蕩表明中微子可以作為一種靈敏的探針，用來檢驗自然對稱性——即使某個基本條件發生改變，某些物理規律仍然保持不變。例如，當你照鏡子時，物理定律看起來是一樣的（光仍然是光，物體仍然會下落，等等）。這種鏡像一致性通常也適用于單個粒子，這種特性被稱為“宇稱對稱性”。除電荷相反外，物質粒子和反物質粒子的行為也應該是一致的，這種特性被稱為“電荷對稱性”。在20世紀的大部分時間里，物理學家在很大程度上依賴類似這樣的對稱性來理解現實世界的運行規則。

然而，中微子并不遵守這些對稱性規則。尤其是，它們違反了電荷和宇稱對稱性的組合——這種組合自然被稱為“CP對稱性”。中微子從一種味道轉變為另一種的方式取決于它們違反CP對稱性的具體方式和程度。而CP對稱性恰好會影響物質和反物質之間的平衡。要想讓宇宙充滿物質（以及隨之而來的所有事物，從星系到人類），唯一的辦法就是違反這種特定的對稱性。因此，如果找到宇宙中CP對稱性的破缺點，我們或許就能弄清楚這些物質從何而來。

35噸容量原型低溫容器中用于LBNF/DUNE早期測試的、閃閃發光的液態氬

索薩說：“有了中微子，你可以測量這種CP破缺的數值，如果這個數值足夠大，那么理論上它可以解釋一切。”這正是DUNE項目的目的所在。

作為一個多層次的物理實驗，DUNE項目旨在以前所未有的精度審視中微子行為的方方面面，這與其龐大的規模和預算是相稱的。但最重要的是，它試圖探索那個令人困惑的宇宙起源問題：為什么宇宙中有“某物”而不是“虛無”？我們獲得有意義答案的最佳希望是在前所未有的精度下研究中微子振蕩。為此，DUNE將整合以往所有中微子實驗中的技術和方法，并在此基礎上進行大幅擴展。

DUNE項目誕生

DUNE運行所需的工程規模與它要研究的微小粒子相比，簡直不成比例。莫西對項目的規模感到難以置信：中微子探測器高達五層樓，長達60米，隱藏在地下1.6千米處，里面裝有近7萬噸的低溫液態氬。2024年2月，莫西的團隊完成了DUNE主要工作區的挖掘，三個巨大的洞穴將用于放置這些巨大的探測器。僅這一任務就需要挖掘80萬噸的巖石。“而這一切都必須通過一個僅1.5千米寬的礦井完成，”他說，“想象一下起重機、動力和通風系統的難度。”

澤勒說，到2031年DUNE完全啟動時，它將產生“歷史上最強的中微子束流”，120萬瓦的中微子爆炸將徹底曝光這些幽靈粒子。生成這樣一道束流，還需要一整套精心設計的工程技術來操控粒子而非巖石——如同一個量子版的魯布 · 戈德堡機器。

每一輪DUNE實驗都始于費米實驗室——位于芝加哥郊外的一個長期運行的粒子物理研究機構。在那里，一個名為質子改進計劃II（PIP-II）的新粒子加速器發射出一束高能質子。由印度巴哈原子研究中心制造的41塊巨型磁鐵將質子聚焦并校準，使其轟擊一個精心制作的1.5米長的圓柱形石墨靶。被轟擊的靶材會噴射出被稱為π介子和K介子的粒子，這些粒子隨后在磁鐵的引導下穿過一條200米長、充滿氦氣的隧道，在那里衰變產生μ子中微子。這最后一步會生成一道強烈的中微子探照燈，目標直指南達科他州的主探測器。

對中微子而言，地球是透明的

DUNE的探照燈將以脈沖方式發射中微子，脈沖持續時間僅為一毫秒左右，每隔幾秒發射一次，反反復復，持續十年或更久。“它們以短爆發形式出現，這樣你就能清晰地識別它們。”澤勒解釋道。否則，DUNE靈敏的探測器可能會將這些人為產生的中微子與宇宙其他地方一直在飛來飛去的隨機中微子相混淆。

在旅程的最開始，距離費米實驗室僅574米處，中微子會通過一個名為“近”（Near）探測器的小型實驗裝置，接收第一次物理檢測。這里的“小型”是相對的：“近”探測器由一個可移動的、重達300噸的液態氬中微子收集器組成，位于地下約60米處。它的核心工作之一是測量出射中微子束的特性，以支撐DUNE主實驗。但“近”探測器也將進行自己的科學測量，主要是尋找可能存在的第四類中微子，即無味中微子。

逃離“近”探測器后，中微子以接近光速的速度繼續前進，徑直穿過地球。對中微子而言，地球是透明的。“曾有一位《隧道》雜志的記者很失望，因為我們不需要從費米實驗室建造一條1300千米長的隧道，”莫西說道。大約1/250秒后，這些粒子抵達它們的首要目的地：桑福德地下研究中心（SURF）巨大的DUNE“遠”（Far）探測器，位于南達科他州地下1.5千米深處，緊鄰戴維斯早期太陽中微子實驗的舊址。

當一個路過的中微子以極小的概率與DUNE探測器中的氬原子發生碰撞時，會引發一連串反應。正如所有與中微子有關的事情一樣，這個過程并不簡單。中微子激發了一個（或多個）帶電粒子（通常是μ子）的發射；這些粒子又會從鄰近的氬原子中撞擊出一系列電子。然后，數字傳感器網絡會檢測這些電子，精確地記錄它們的能量和位置，從而以壯觀的三維形式重建出最初中微子的詳細信息。最終，人類將能夠以前所未有的方式“看到”中微子。

對于那些習慣于等待數天甚至數月才捕捉到一個中微子信號的研究人員來說，DUNE將帶來一場革命，每毫秒它可以提供多達50次中微子碰撞信號。“這是我們以前從未有過的體驗。你可以看到中微子與氬原子碰撞后產生的所有不同粒子的軌跡。”澤勒說道。研究人員將記錄每個事件并標記：這是什么類型的中微子？它的能量是多少？它的特性是什么？

DUNE還將創建一個前所未有的物理學社區。戴維斯幾乎是獨自完成實驗的，而DUNE實驗則更像是一個中微子的“伍德斯托克音樂節”。布魯克海文國家實驗室的瑪麗 · 比什艾（Mary Bishai）從DUNE還未命名時就開始參與工作，如今她是該項目的官方發言人。她看到圍繞這個項目形成的龐大合作團隊，既驚訝又有些不堪重負。“你有1400人，每個人都隸屬于不同的大學或實驗室。物理學家之間的互動非常多，就像趕貓一樣，”她打趣道，“但讓我們一起工作的是對科學的熱愛。”

在完成所有的隧道挖掘、粒子碰撞和束流發射后，DUNE最終輸出的實際數據將主要是中微子相互作用的干涉圖樣——類似于湖面上波紋相互疊加或抵消的現象，只不過這些波浪是由成群的不可見粒子構成的。三種中微子之間會發生振蕩和相互作用，形成類似的中微子類型和強度圖樣。通過調整DUNE的束流和探測器，研究人員將逐步繪制出這些模式圖，并建立有史以來最完整的中微子行為模式圖。

“你在費米實驗室創造出μ子中微子。然后，在它們抵達‘遠’探測器時，大約有5%的中微子會振蕩成電子中微子，其余的會振蕩成τ子中微子。”索薩解釋道。由此產生的振蕩圖樣被稱為“混合角”，介于三種不同中微子特性之間。“DUNE將測量這個混合角，以及與其相關的所有物理現象。”索薩進一步解釋道。混合角是一組數字，表示自然界在多大程度上偏離數學上理想化的簡單對稱形式——一種會導致空洞、貧瘠現實的可悲對稱性。

當DUNE忙于尋找中微子振蕩時，它還將承擔許多其他物理任務。它將尋找假想的重中微子，這些粒子可以解釋宇宙中不可見的暗物質——這種暗物質的質量似乎超過了所有可見物質的總和。如果這些“無味”中微子存在，它們一定比普通中微子更具惰性；它們可能隱藏著一個未曾發現的“影子”物理世界。DUNE探測器將起到超靈敏中微子望遠鏡的作用，是戴維斯于20世紀60年代在同一地點開始的實驗的顯著增強版。如果銀河系中任何地方有超新星爆發，科學家都會知道，并能獲得一個獨特的視角來觀察垂死恒星的心臟——只有中微子才能提供這樣的視角。“我們將學到很多東西。”索薩說道。

到DUNE實驗結束時，也就是在2040年左右，我們應該能了解三種已知類型中微子的行為、相互作用方式以及它們的質量。我們可能會了解到將遙遠星系結合在一起的暗物質身份。最重要的是，我們應該能夠精確測量中微子的混合角和CP對稱性破缺，這將告訴我們是否找到了可以解釋我們存在的百億分之一的不平衡。

粒子物理學家將密切關注測量得到的混合角的精確值，以期找到有關我們起源的更深層次線索：不僅是物質存在的原因，還包括它們的來源。如果中微子展現出恰到好處的不平衡，這一發現將支持一個被稱為“蹺蹺板機制”的大膽理論。這一理論假設，今天我們看到的中微子是宇宙大爆炸之后不久便存在的超大質量中微子的“后裔”。那些“巨型”中微子的質量是質子質量的千萬億倍。隨著它們的衰變，它們可能成為我們今天看到的所有原子的直接來源。如果是這樣的話，那我們都是中微子的后代。

此外，還有從哲學和社會學角度上的滿足感。來自35個國家的理論學家、技術人員和實踐型粒子物理學家聚集在一起，攜手合作超過二十年，共同解決一個不切實際但又極其個人化的問題：為什么存在萬物，而不是虛無？“還有什么工作能比解答一個全世界沒有人知道答案的問題更棒呢？”澤勒問道。在這個角度來看，DUNE看起來不再像是一臺機器，而更像是一座現代的教堂——一個人們聚集在一起，在一個超越個人、跨越世代的共同目標的激勵下尋求啟迪的地方。

莫西將中微子之謎放在了一個更長的演化時間尺度上。“在你的一生中，每秒鐘都有650億個中微子穿過你的身體的每一平方厘米，這個過程可以追溯到10萬年前第一批人類在地球上行走時。”他說道，“如此普遍存在的東西，必定在宇宙中扮演著重要的角色，而我們必須想辦法弄清楚它是什么。”

資料來源Aeon

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本文作者科里·鮑威爾（Corey S. Powell）是一位科學編輯和記者，曾擔任《發現》《科學美國人》的編輯。他是《方程中的上帝》（2003）的作者，并與比爾·奈（Bill Nye）合作撰寫了三本書，包括《萬物齊發》（2017）。目前，他正在創作一本關于宇宙中不可見方面的書，預計于2026年出版