深地下中微子实验或能解答深远宇宙之谜

中微子是最普遍的粒子——每秒有数百亿个穿过你的指尖——但它们没有电荷，几乎没有质量，而且几乎不与其他物质相互作用。

一个世纪前，意大利物理学家沃尔夫冈·泡利预言了它们的存在，当时甚至不清楚如何寻找它们。“我做了一件可怕的事，”他曾名言，“我假设了一个无法探测的粒子。”

幸运的是，他预言得太早了。中微子实际上是可以探测的，物理学家认为它们可以解释几十年来一直困扰科学的关于宇宙本质的基本事实。但是，要准确测量它们需要一项巨大的工程壮举：深层地下中微子实验，简称 DUNE。

什么是深层地下中微子实验？

DUNE 实际上是两个相隔 800 英里的项目。一端靠近芝加哥，费米实验室的粒子加速器将产生一个高强度中微子束，精确地（穿过地壳）指向南达科他州的黑山。在那里，在地表下近一英里的地方，一个探测器将记录传入中微子的数据。

然而，称之为探测器不足以形容这个庞然大物。它将由四个模块组成，每个模块都有一个城市街区那么大，建在 Sanford 地下研究设施的 7 层高的地下室中（为此挖掘了 800,000 吨岩石）。每个模块将容纳 3800 万磅液氩，冷却至约零下 300 华氏度。

“这不仅仅是因为我们喜欢做难事，”科罗拉多州立大学物理学教授、DUNE 的创始成员之一 Robert Wilson 说。

这是因为中微子是那些难以捉摸的小家伙，它们如此微小且不合群，以至于它们可以穿过一光年的铅而不会与任何一个原子混合。那些巨大的超密度氩气罐增加了中微子相互作用的几率，从而增加了可检测信号的几率。至于厚厚的土壤屏障，它可以过滤掉会污染地表数据的粒子。

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解释物质为何存在

如果 DUNE 完成其任务，所有这些努力都可能获得丰厚的回报：揭示宇宙为何如此——特别是，为何充满了物质。因为，与直觉相反，这并不是我们根据粒子物理学的标准模型所期望看到的，该模型是描述宇宙运行的最佳理论。大爆炸应该产生了数量相等的粒子和反粒子，它们应该配对并相互湮灭，只留下残余能量。

相反，我们看到了星系、恒星和行星，它们都由逃脱毁灭的微量物质构成。相比之下，我们几乎看不到反物质。因此，宇宙不像预测的那样达到平衡，而是必然以一种稍微偏向物质的不对称性开始。

“反粒子和粒子之间必须有些许不同，”Wilson 说，“以至于所有的反粒子都被吞噬了。”

为什么研究中微子

这就是中微子的作用。与其他粒子不同，它们没有固定的身份；每一个都可以变形为三种“味”。为了说明这种变化的剧烈程度，Wilson 用科罗拉多州居民能理解的方式举例：“就像你开车从丹佛出发，有人看到你上车，然后等你开到朗蒙特时，另一个人瞥了一眼车，发现那是你的兄弟。”

DUNE 的理念是测量中微子和反中微子是否以不同的速率发生变化或振荡。如果它们确实如此，那么这个谜团可能会被解开——如果中微子振荡得更快，比它们的“克隆体”快一步，那么就可以解释为什么大爆炸中产生的物质比反物质多。那么这两种物质就不再是彼此的镜像，而是具有不同性质的根本不同的实体。

当一个粒子与其反粒子行为不同时，物理学家称之为违反电荷-宇称对称性。这种违反已经在夸克（宇宙的另一个构成单元）中观察到，但这种差异不足以解释物质相对于反物质的优势。

中微子是基本粒子中最不为人知的一种，它们可能是寻找另一种可以改变平衡的电荷-宇称对称性违反的最后线索。

Wilson 说，如果 DUNE 找不到答案，“我们将不知道宇宙为何存在。我们将不得不重新思考。”

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DUNE 和超新星

无论我们从一切起源中学到什么或学不到什么，DUNE 还有其他目标。最重要的是，它可以为超新星的发生提供新的见解。也许你见过这些难以置信的强大恒星爆炸的图像，一颗孤星的光芒盖过整个星系。

然而，根据 Wilson 的说法，我们看到的只是“总能量释放的一小部分”。大约 99% 是中微子，“其中一些正在向我们飞来。”

在过去 70 年的观测中，超新星中微子只到达地球一次。那是在 1987 年，尽管必然有数万亿万个，但当时世界上三个工作的探测器只看到了二十几次相互作用。当下一阵爆发来临时，DUNE 的探测器——比第一代模型大得多——可能会捕捉到数百甚至数千次。

“我只希望它们能再等等，”Wilson 笑着说。此外，“如果我们超级、超级幸运，”他补充道，我们甚至可能目睹黑洞的诞生。

当一颗质量极大的恒星发生新星爆发时，它会在自身引力下坍缩，变得如此致密以至于任何东西都无法逃脱——甚至包括中微子。所以，从我们的视角来看，我们将看到一个稳定的中微子流（由初始超新星发出），这个流会在黑洞形成时突然停止。

冲向发现

如果一切按计划进行，根据 DUNE 的官方时间表，到 2029 年底，氩探测器将投入运行并对即将到来的超新星中微子群体敏感。然后，费米实验室的中微子束计划在 2031 年上线，以便进行振荡测量。

话虽如此，该项目近年来也遇到了一些挫折。而且，全球各地都在进行类似的中微子实验，其中最引人注目的是日本的 Hyper-Kamiokande 观测站，该观测站计划提前两年完工。凭借这个先发优势，它可能会在一些重大发现上抢在 DUNE 前面。

然而，Wilson 指出，DUNE 和 Hyper-K 之间的关系与其说是竞争，不如说是互补。一个使用液氩作为探测器，另一个使用水，结果将相互支持并提供不同类型的见解（距离束和探测器的距离差异：800 英里对 200 英里也会产生影响）。

这些实验可以阐明大爆炸后的最早时刻、超新星的机制等等。另一方面，它们也可能颠覆我们对宇宙中最普遍粒子的几十年来的理解。例如，也许它不仅仅是三种已知的味。

Wilson 说：“我们有一个漂亮的三中微子模型。但认为那就是全部故事是危险的，因为中微子以前曾让我们出洋相。”

文章来源

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• Britannica. 电荷-宇称对称性违反

• Britannica. 超新星

• Fermilab. 等待中微子