在银河系中心冰钓中微子

大约2500万年前，地球在西伯利亚东南部裂开。从那时起，无数河流汇聚到这个巨大的大陆裂谷，形成了被称为贝加尔湖的广阔水体。这个长达400英里的内陆海被群山环绕，与其他湖泊和海洋隔绝，导致了不寻常的动植物的进化，其中超过四分之三在地球上其他地方找不到。俄罗斯人视其为自己的加拉帕戈斯群岛。该湖拥有世界20%的未冻淡水——在严酷的西伯利亚冬季，尽管其规模巨大且深度惊人，贝加尔湖也会结冰，水量会略少于此。

就在这样一个冬日，我发现自己身处湖上，靠近利斯特维扬卡镇，这个小镇坐落在湖岸的一个弯曲处。我乘坐在一辆旧面包车里，正试图向西行驶，不是沿着海岸公路——因为根本没有——而是越过冰面。然而，道路被一道冰脊挡住了。它看起来像一个构造断层：湖泊坚固表面的两部分撞在一起并裂开，形成了锯齿状的冰块。司机是一位饱经风霜的俄罗斯人，他从帽檐下窥视着，寻找冰脊的缺口。当他发现几英尺光滑的冰面时，他下车用金属杆探了探，却摇了摇头，冰面碎裂了：不足以支撑面包车。我们继续向南行驶，离岸越来越远，我确信这是错误的方向。面包车摇摇晃晃，颠簸不已，轮胎在新鲜雪地里嘎吱作响，偶尔在冰面上打滑。冰脊一直延伸到视线尽头。突然，我们停了下来。我们面前是一片危险的区域，散落着巨大的冰块，它们像巨大的碎玻璃片一样从湖面升起。

司机似乎在考虑绕过它们，寻找能让我们到达目的地——在湖泊最深处之一运行的水下观测站——的厚冰。但如果他那样做，我们就会离岸更远，只需要一个轮胎爆胎就能让我们 stranded。太阳离落山只有一个多小时了，气温正在下降。我无法问司机是否有收音机或电话求助，因为他一句英语也不会说，而我唯一知道的俄语是“再见”。此时此刻，我最不想对他说的就是“再见”。

谢天谢地，他决定掉头。我们沿着路开，直到遇到一些车辆的痕迹，这些痕迹穿过覆盖在冰脊上的一些冰面。司机将面包车转向西，越过了冰脊，很快我们便以极快的速度在湖面上飞驰，每一个冰块都变成了减速带。面包车的前部剧烈地上下颠簸，震动着前座上散落的工具。我担心冰面会塌陷，我们会坠入冰冷的湖水中。但冰面依然坚固，面包车尽管外表如此，机械状况却良好，减震器牢固。远处，我发现一片白色中有一个黑点。随着我们靠近，黑点逐渐变大，显露出它是一棵三英尺高的圣诞树。我们还有20英里要走，太阳很快就会消失在冰冷的水平线之下。但现在我们找到了圣诞树，我知道我们没事了。

两天前，我第一次见到那棵树，当时我与伊尔库茨克国立大学的物理学家尼古拉（科利亚）·布德涅夫和德国地质学家伯特伦·海因策同行。我们正前往贝加尔湖中微子观测站的所在地，它深埋在冰面之下。我们刚从利斯特维扬卡附近的岸边驶入湖面，海因策就问：“冰什么时候开始破裂？”

“大约在三月初的某个时候，”布德涅夫回答道。我的心跳了一下。当时已经是三月下旬了，我们正乘坐一辆旧的橄榄绿色军用吉普车在冰上行驶。“抱歉，大约在四月初的某个时候，”布德涅夫纠正道。呼。

二十多年来，俄罗斯和德国物理学家每年二月至四月都会在贝加尔湖冰面上扎营，安装和维护仪器，以寻找被称为中微子的难以捉摸的亚原子粒子。湖面深处的“人工眼”寻找中微子与水分子罕见碰撞产生的微弱蓝色闪光。我被告知，如果我们的眼睛有西瓜那么大，人类的眼睛也能看到这些闪光。事实上，每只“人工眼”直径都超过一英尺，而贝加尔中微子望远镜，世界上第一台此类仪器，拥有228只眼睛，耐心地守候着这些来自外太空的信使。

这台望远镜位于离岸几英里的水下，全年运行。电缆从望远镜通往岸边的数据收集和分析站。这是一个预算极其紧张的项目。由于没有昂贵的船只和遥控潜水器，科学家们等待冬季的冰层提供一个稳定的平台，以便他们使用起重机和绞车。每年他们都会搭建一个冰上营地，将望远镜从0.7英里深处拉上来，进行日常维护，然后将其放回水中。每年他们都与时间赛跑，以便在春天的嫩芽开始驱散西伯利亚的冬季，湖面冰层开始破裂之前完成他们的工作。

到底是什么让科学家们冒着如此恶劣的条件来研究中微子呢？中微子——其中一些可以追溯到大爆炸之后——穿透物质，从它们被创造出来的那一刻起就毫发无损地传播，并以其他粒子无法比拟的方式携带信息。宇宙对超高能光子或伽马射线是不透明的，它们会被其来源和地球之间的物质和辐射吸收。但是中微子，由产生高能光子的相同天体物理过程产生，沿途几乎不与任何物质相互作用。例如，中微子一经产生就从太阳中心流出，而一个光子需要数千年才能从核心到达太阳明亮的表面。

因此，中微子代表了通往一个否则不可见的宇宙的独特窗口，甚至提供了关于缺失质量——暗物质的线索，其存在只能通过其对恒星和星系的引力影响来推断。理论表明，随着时间的推移，地球、太阳和银河系形成的引力井会吸入大量的暗物质粒子。在它们大量聚集的地方，这些粒子应该会相互碰撞，并喷射出（除其他事物之外的）中微子。这就像我们银河系中心的一个巨大粒子加速器将暗物质粒子撞击在一起，产生中微子并将其向外辐射，其中一些射向我们。

中微子在推动物理学发展中扮演如此关键的角色，这会令几代人以前的科学家感到惊讶。对他们来说，中微子只是一个想象中的产物，一种理论上的必要性，但由于其虚无缥缈的性质——一个粒子的幽灵——似乎不可能被探测到。中微子的故事始于20世纪20年代末。物理学家们一直在为一种被称为放射性β衰变的现象而困惑，其中一种原子会转变为另一种原子。例如，碳-14有8个中子和6个质子。在β衰变过程中，其中一个中子衰变为一个质子并释放一个电子。新的原子核现在有7个质子和7个中子，转变为氮-14。但在这一过程中，似乎有一些能量消失了。正是奥地利出生的物理学家和诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·泡利提出了β衰变必须释放一种尚未发现的中性粒子的理论。几年后，物理学家恩里科·费米开玩笑地将这种粒子命名为“中微子”，在意大利语中意为“小中性子”，这个名字就此沿用下来。

几十年来，中微子一直只是一个理论构想，一个有用的粒子，帮助物理学家们挽救了他们的理论免于尴尬。没有人见过它。没有人知道如何找到它——直到20世纪50年代在洛斯阿拉莫斯工作的研究员弗雷德里克·莱因斯意识到核弹会是中微子的一个重要来源。莱因斯和他的同事克莱德·L·科恩二世认为核电站也会是一个来源。他们计算出，核反应堆附近的探测器每平方厘米每秒将遇到近10^13个中微子。只有一个小问题：由于中微子是电中性的，它们只有直接撞击原子核才能被探测到。莱因斯和科恩必须寻找这种碰撞的特征。他们找到了。

到20世纪60年代，跟随莱因斯工作的物理学家们开始在矿井内建造中微子探测器，利用地面作为抵御宇宙射线的天然屏障，因为宇宙射线会淹没中微子信号。（中微子可以穿过厚厚的矿井壁，但宇宙射线不能。）1968年，雷蒙德·戴维斯和他的布鲁克海文国家实验室的同事在南达科他州利德的霍姆斯塔克金矿内完成了一项实验。他们使用了一个装有10万加仑四氯乙烯（一种常见的干洗剂）的罐子。当中微子撞击氯原子时，该原子会转化为放射性氩。通过计算产生的氩原子数量，物理学家可以计算出来自太阳的中微子通量。随后在20世纪80年代初，世界各地的研究人员使用数千吨水，在衬有光电倍增管（PMT）的地下水箱中建造了探测器。PMT寻找当中微子撞击水时发出的光。通常，中微子会直接穿过水而没有任何相互作用。但当它罕见地撞击氢或氧原子核时，碰撞会喷射出另一个亚原子粒子——μ子。带电的μ子会与水发生电磁相互作用，并且由于它在水中的速度超过光速，它会在其尾迹中留下一束锥形的蓝光。这被称为切伦科夫锥，以首次描述这种现象的俄罗斯物理学家命名。它类似于飞机超音速飞行时产生的音爆。

另一位俄罗斯研究员，莫伊塞·亚历山德罗维奇·马尔科夫，一位天文粒子物理学的“诗人”，建议利用天然水体作为中微子探测器。为什么不在矿井内建造水箱，而是使用湖泊甚至海洋呢？只需将一长串光电倍增管浸入水中，然后观察中微子产生的μ子留下的切伦科夫光。这个想法很诱人，但存在巨大的实际困难。首先，没有上方岩石的保护，探测器会暴露在宇宙射线中，这可能会淹没中微子信号。更重要的是，阳光（在矿井内不是问题）会遮盖切伦科夫辐射。

解决方案是深入海底，阳光无法到达的地方。物理学家们意识到他们可以利用地球本身作为屏障。虽然许多μ子可以穿过一英里深的水，但同样长的岩石却能完全阻止它们。因此，中微子探测器可以深埋在水下，靠近湖床，向下探测由来自下方的中微子产生的μ子。地球另一端大气中由宇宙射线产生的μ子都无法穿透地球。然而，中微子却能直接穿过，偶尔会撞击水或湖床本身的原子核。这种碰撞会产生一个μ子，然后μ子会向上射向水面。捕获一个向上移动的μ子，就等于探测到了一个来自地球另一端的中微子。所需要的只是一个合适的水体。到20世纪80年代中期，俄罗斯人意识到他们后院就有一个巨大的纯水箱：贝加尔湖。

我在西伯利亚的第一个早上，我们驾车穿过湖面，驶向望远镜。冰雪覆盖的湖面在我们四周绵延数英里，除了西北方向，那里我们相对靠近岸边。当我们停下来休息时，人们在车辆周围忙碌。零度以下的温度似乎对每个人都有不同的影响。有些人赤着头；另一些人则把羊毛帽拉到耳尖。然后是拉尔夫·维什涅夫斯基，他戴着巨大的俄式毛皮帽，看起来像一只蓬松的兔子。维什涅夫斯基是一位德国中微子物理学家，已经在贝加尔湖与俄罗斯人合作了20年，他是我来到这里的原因。六个月前，我在伦敦泰晤士河南岸的泰特现代艺术馆外见到了这位面色红润的男子。我们走到一家希腊酒吧，边喝冰镇啤酒边讨论贝加尔湖的考察。是他提醒我，冬季夜晚与俄罗斯人分享烈酒的传统。

我们到了这里，但仍然是早上。俄罗斯人计划为海因策准备欢迎酒。科利亚·布德涅夫从我们的吉普车里跳出来，手里拿着一瓶伏特加。有人把香肠切成圆片。吉普车宽敞的引擎盖上摆放着亮黄色、蓝色和红色的塑料杯，很快每个人手里都拿着一杯伏特加。布德涅夫用手指蘸了蘸，将几滴洒在冰上——这是献给贝加尔湖伟大湖神的祭品。

很快，我们回到了车里，前往中微子望远镜，这是一个由11串光电倍增管组成的装置，每串顶部有一个大浮标，底部有一个配重。连接在绳索上的小浮标漂浮在水面以下约30英尺处。全年，共有228个PMT监测切伦科夫锥。每年冬天，团队都必须找到望远镜，其上部在一年中会略微漂移。团队有两个月的时间进行日常维护，将绳索放回水中，并在冰面破裂之前撤离。

“实验物理学”在这个刺骨的寒冷中有了新的含义，气温有时会降到零下4华氏度。大多数物理学家住在10乘20英尺的小木屋里，每间住两人。其他人则睡在岸边站的上下铺，周围堆满了电脑、电子设备、电线和电缆的工作台。他们长时间工作，从清晨到有时深夜。没有自来水，这意味着两个月没有淋浴。厕所是带坑的木制小屋。极寒有助于控制臭味，但当温暖的尿液落入坑中时，臭味仍然会飘上来。有一个奢侈品：俄罗斯传统桑拿浴室——“banya”。赤身裸体的男人们坐在一个附属建筑里，往热石上泼水以产生蒸汽，并用带叶子的树枝和桦树枝相互拍打。

一天晚上，一阵恶风刮起。是时候让所有人都离开开阔的冰面，返回岸边站了。到了那里，我感激地坐下来喝了一杯茶，一罐甜而黏稠的炼乳出现了。一位科学家若有所思地看着罐头。炼乳是他童年在西伯利亚城市托木斯克成长时的梦想。“他们在莫斯科有这个，”他说，“但在托木斯克没有。”

那天晚上晚些时候，我不得不再次外出，穿过结冰湖面的一部分，去食堂吃晚饭。这并不容易。正如维什涅夫斯基所说，我是在西伯利亚冬季深处的冰冻湖面上穿着“欧洲夏季鞋”出现的，他的声音充满了难以置信。在湖面上，我几乎寸步难行，光滑的鞋底一路打滑。几天后，我学会了寻找新雪来让鞋子抓地，但那天晚上，恐惧几乎让我瘫痪。幸运的是，一辆吉普车停在我旁边，维什涅夫斯基注意到我的困境，让司机——伊戈尔·别洛拉普蒂科夫，一位来自莫斯科附近杜布纳联合核研究所的高大留着胡子的物理学家——载我去食堂。我与别洛拉普蒂科夫共进晚餐，并愉快地接受了他的邀请，搭车回他狭小的木屋，聊聊中微子。

“我的工作是μ子和中微子的重建，”别洛拉普蒂科夫说道，带着孩子般的喜悦笑了起来。这种重建是一项复杂的工作。贝加尔湖底部有数百个光电倍增管监测切伦科夫光的闪烁。当中微子诱发的μ子穿过水面时，其切伦科夫锥发出的光以略微不同的时间到达不同的管子。技巧在于收集所有信息并进行筛选，以重建向上移动的μ子的路径。然后可以利用此信息计算原始中微子的路径。正是这种确定中微子来源的能力，将中微子望远镜与普通的中微子探测器区分开来。望远镜必须识别天空中中微子的来源，而贝加尔湖仪器可以做到这一点，其角分辨率约为2.5度，这意味着它可以区分来自天空中相距五个满月距离的点的中微子。到目前为止，贝加尔湖望远镜只看到了大气中微子，即宇宙射线撞击空气中原子产生的次级粒子。这里的每个人都在等待有一天，来自外太空的高能中微子能在湖泊的这个小角落里展现它的存在。

别洛拉普蒂科夫回忆起他探测到的第一个中微子——事实上，是贝加尔探测器在1993年探测到的第一个。“那太棒了，”他说，“看，就在这儿。”他俯身到双层床边，取下墙上别着的一张纸。那是一张根据切伦科夫锥探测重建的向上μ子路径的打印件：这是人类首次使用天然水体作为探测器观测到的中微子。别洛拉普蒂科夫和他的同事完成了这项重建工作，让贝加尔湖探测器在地图上有了自己的位置。

接下来的两天很快过去了，但即使在这短短的时间里，也形成了一种规律。早上到湖边从冰窟窿里打一桶饮用水。然后回到小屋，喝加了炼乳和蜂蜜的咖啡，记得用纸塞住牛奶罐上的洞，以防“小动物”（维什涅夫斯基称之为昆虫）进入。从我的小屋可以清楚地看到整个湖面，我不得不提醒自己，它拥有的水量比美国五大湖的总和还要多，表面积比比利时还要大。俄罗斯80%的淡水都在这里。即使在很深的地方，湖水也富含氧气，使其成为最适合生命生存的水域之一。由于生活在所有深度的贪婪甲壳类动物，任何死亡或垂死的东西在这个湖里都活不过几天。如果渔民把渔获物留在网里太久，甲壳类动物就会通过它们的嘴和鳃侵入鱼体，从内到外吃掉它们。这些小动物使湖泊没有死亡物质，使其变得异常清澈，尤其是在深处。浑浊的水会使观测μ子几乎不可能。“这是一种非常、非常友善的水，”布德涅夫说。

1993年，当俄罗斯人开启贝加尔湖望远镜时，它是当时唯一的研究项目。但情况已经发生了变化。欧洲物理学家们已开始在地中海建造类似的探测器。而一个美欧团队在20世纪90年代中期前往南极，建造了南极μ子和中微子探测器阵列（AMANDA），同时为冰立方（迄今最大的中微子探测器）奠定了基础。几位曾在贝加尔湖工作的德国物理学家加入了南极团队。几年来，维什涅夫斯基也曾将时间分配给南极和贝加尔湖，之后才全身心投入贝加尔湖。南极探测器正在寻找当μ子撞击冰层时发出的切伦科夫光，而冰立方将监测一立方公里的冰层，寻找这些瞬逝的闪光。

贝加尔湖的创新——包括别洛拉普蒂科夫在μ子重建方面的工作——启发了南极洲的早期努力。尽管南极冰层比贝加尔湖水更清澈，但目前湖水具有独特的优势。光线在湖中传播的距离是在冰中传播的10倍以上，才会发生散射。在光子散射之前捕捉到它们，你就能准确地判断它们来自何处。如果在光子散射几次之后才捕捉到它们，就很难确定它们的原始方向。这意味着在南极冰层中需要更多的PMT才能达到相同的效果。

格里戈里·多莫加茨基，贝加尔湖项目的发言人，一天晚上我们坐在他小屋里咆哮的炉火旁时，他 emphatically 地指出了这一点。尽管他那沙哑的烟民咳嗽可能让他在说了一半时停下来，但他热情地争辩说，世界上最大的中微子探测器应该建在贝加尔湖。美国人及其欧洲伙伴正在冰立方上花费2.7亿美元，而多莫加茨基认为，十分之一的资金就足以在西伯利亚建造一个可与之媲美的探测器。除了探测高能中微子所需的光电倍增管数量少得多这一优势外，多莫加茨基还指出，只有北半球的探测器才能看到来自我们银河系中心的中微子。

“是的，但不是中微子，”多莫加茨基回答道，语气温和而又带着老师刚刚点明要害的胜利感。当然：使用天然水体或冰块的中微子探测器只能看到那些穿过地球的中微子，所以它们必须向下看——而从那个有利位置，银河系中心在南极永远无法进入视野。多莫加茨基进一步论证说，贝加尔湖是建造这种探测器的最佳水体，因为它没有地中海那样的深水流。“贝加尔湖就像一个水族馆，”他说。此外，地中海的科学家需要船只将他们的绳索放入海中，并需要遥控潜水器来连接它们，这使得操作昂贵。在这里，冬季的冰层使得探测器的回收和工作相对简单。但是，多莫加茨基叹了口气，在冬天说服人们在西伯利亚工作，而另一种选择是阳光普照的地中海，这将很难。

多莫加茨基饱经风霜的脸上，刻画着40年物理生涯的印记，其中许多年都在这片恶劣的环境中度过。现在，他正寻求交接棒。他的团队刚刚发现，他们迄今为止建造的望远镜可以构成一个更大望远镜的一个单元。将这样的单元并排排列，可以覆盖一立方公里的水。他所需要的，仅仅是大约2500万美元，比地中海中微子项目或南极项目所花费的资金要少一个数量级。

炉火熄灭了。户外，太阳正在下山。“我希望帮助启动这个项目，”多莫加茨基说。“但这项工作应该由年轻的物理学家来完成。”我们走出屋子。我以他心爱的湖泊为背景，给这位当代俄罗斯物理学界的泰斗拍了一张照片，然后开始步行返回岸边站。只剩下最后一件事了。维什涅夫斯基建议，如果我不去冰营地的小木屋里过夜，我的访问就不完整。我同意了。但他随后漫不经心地提到，冰会隆起。尽管湖面冰层很厚，下面的水仍然活跃跳动。有时，营地下方整个冰层会突然抖动和倾斜。那天晚上，我们开车去了冰营地，一位名叫阿列克谢·科查诺夫的研究生把我带进他的小屋。他告诉我不用担心；他觉得冰在他身下吱吱作响的声音很放松。显然，他在这里呆了太久——但他随后解释道。吱吱作响意味着冰盖是坚固的。那是冰为了响应下方水的运动而移动的声音。只有当你听不到吱吱作响的声音时，你才应该担心。那时的裂缝已经很大，冰层有很大的松动空间，你就不应该待在湖上了。

突然间，冰的抗议声在我耳中变成了音乐。整晚它都在呻吟。当声音从远处传来时，像被闷住的枪声；当它们靠近时，更像鞭子的抽打声。凌晨五点，冰面隆起。那是我整晚感受到的唯一显著的移动。我无法再入睡，所以我走出门外。天还黑着。冰面没有裂开吞噬我。细小的裂缝纵横交错在冰面上。你可以看出新的裂缝是在夜里形成的，因为它们还没有被雪覆盖。天蝎座的尾巴在月亮旁边可见，头顶是小熊座。在遥远的岸边，森林大火的余烬在哈马尔达班山脉的山坡上闪烁。

在某处深处，一束蓝色光锥向上穿过冰冷的水面。一个中微子从宇宙的遥远部分穿越而来，躲过了数万亿英里上的每一次物质碰撞，穿过了地心，最终在贝加尔湖与一个水分子碰撞，在一道闪光中消失。

终极粒子

在验证中微子存在后不久，物理学家弗雷德里克·莱因斯称这些粒子为“人类所能想象到的最小量的现实”。确实，中微子是已知粒子中质量最小的——但它们对于理解我们周围的世界却异常重要。大多数中微子在大爆炸后仅几分之一秒就产生了，因此它们携带着关于早期宇宙的独特信息。其他中微子则始于太阳核心或强大的超新星爆炸，揭示了恒星如何发光和消亡的秘密。

今天，天文学家主要依靠可见光或其他形式的电磁辐射（如无线电波或X射线）来研究遥远的宇宙；哈勃太空望远镜就是这样创建出星系和星云的精美图像的。然而，在许多方面，中微子是更好的宇宙信使。与光不同，光在空间中移动时很容易被吸收，而中微子很少与任何物质相互作用。而且与许多其他亚原子粒子不同，中微子不带电荷，因此它们从源头直线传播，不受恒星周围磁场的偏转。

不幸的是，中微子的惰性使其成为宝贵的信息来源，但也使其难以探测。每秒有600亿个太阳中微子撞击你的拇指甲，几乎每一个都毫发无损地穿过。因此，中微子观测站必须扫描大量的水或其他良好目标，才能探测到中微子与其他粒子之间极其罕见的相互作用。

贝加尔湖观测站（图示左侧）拥有228个光学传感器，寻找当中微子与水中氢或氧原子核碰撞时产生的碎片：一场新的粒子阵雨，触发一个锥形的蓝色光芒。为了排除可能产生类似信号的其他粒子，科学家将搜索范围限制在从下方向上级联的阵雨。这确保了原始粒子已穿过地壳，这一壮举只有中微子才能完成。安德鲁·格兰特

中微子探测

贝加尔湖并不是物理学家们利用复杂探测器研究宇宙中最难以捉摸粒子的地方。以下是全球其他正在进行这项工作的地点

冰立方，南极洲最新、最先进的中微子观测站在地球上最严酷的环境之一中。科学家们将光学传感器珠子埋藏在近一英里的冰下，那里黑暗而清澈，足以探测到由中微子引起的粒子阵雨产生的蓝光，即使是在数百英尺之外。

超级神冈探测器，日本在地下半英里深的一个矿井内，13,000个探测器探测50,000吨纯净水，寻找中微子的蓝色闪光特征。1998年，超级神冈探测器的科学家们首次发现了中微子有质量的证据。

萨德伯里中微子观测站 (SNO)，加拿大 SNO 是一项工程奇迹，它是一个充满液体的透明球形腔室，环绕着敏感的光探测器，并浸没在一个充满水的矿井中。为了提高灵敏度，研究人员移除了最初充满腔室的重水，以便注入一种类似石油的液体。

主注入器

中微子振荡搜寻（MINOS），美国这个位于明尼苏达州的地下观测站探测来自450英里外芝加哥附近费米实验室的中微子束。MINOS的科学家们希望更多地了解三种中微子“味”：电子中微子、μ中微子和τ中微子。

乳胶径迹装置振荡项目（OPERA），意大利在这里，一束人造中微子（在日内瓦附近产生）撞击由光敏塑料隔开的15万块铅砖。a.g.