一旦你制造出一个中微子，一个微小的亚原子粒子，它就会以接近光速的速度移动，并且不会停止。它会一直沿着直线飞向宇宙的边缘。径直穿过任何恒星、行星或山脉；径直穿过任何原子、原子核或碰巧挡在其路径上的其他粒子。也径直穿过任何人：此刻——假设你正在夜间阅读此文，身处美国某处，舒适地待在你的客厅里——每秒钟，400亿个来自太阳的中微子正以火箭般的速度穿过你的左鼻孔和大脑额叶，穿过你家的屋顶，然后彻底离开银河系，在此之前它们已经穿过了中国、地球的岩石地幔、你的躺椅座位和你的左大腿。甚至更多数量的中微子从上方穿透你；它们来自夜空中的恒星、宇宙射线，以及最重要的——来自大爆炸——那些中微子已经有150亿年的历史，并且仍在旅行。隔壁州的核反应堆正在向你发送更新鲜的中微子。你此刻，每时每刻，都是中微子繁忙的十字路口。但你并不特别。中微子，看不见，数不清，充满了整个宇宙。人们称它们为幽灵，但幽灵不是真实的。中微子是真实的。
当物理学家们真正设法阻止一个中微子，从而探测到它时，这个时刻是如此特殊，他们称之为“事件”。1998年，一个国际团队在日本神冈镇附近，利用名为“超级神冈探测器”的装置，成功阻止了几千个中微子。他们在地下2000英尺的一个旧锌矿中，一个衬有不锈钢并充满5万吨纯净水的洞穴里捕捉到了这些粒子。这些观测结果的意义远不止于阻止了一些中微子。这项实验强烈表明，中微子——与幽灵和光子不同——具有质量，尽管质量极小。神冈的观测结果还支持了一个更奇怪的想法：一个特定的中微子没有一个稳定的质量或一个稳定的身份。相反，当它飞行时，它会从一个身份——物理学家称之为“味”，这意味着一种与其他粒子相互作用的方式——振荡到另一个身份。“就像杰基尔医生和海德先生的故事一样，”一位神冈研究人员评论道。
中微子一直显得很奇怪，但神冈的实验结果使这些粒子在三个不同的方面变得重要。首先，如果中微子发生振荡，物理学家就知道他们终于理解了太阳如何以光子形式产生光——这是他们之前并不完全确定的。太阳是中微子的一个巨大来源——它们在产生光子的相同聚变反应中产生——但地球上的探测器捕获的太阳中微子数量始终远低于太阳物理学最佳理论的预测。神冈的实验结果提供了一个令人欣喜的解决方案：也许不是理论错了；而是中微子在飞向地球的过程中发生了振荡，改变了探测器无法探测到的“味”。
亚原子高速通勤——地下从位于日内瓦郊区法瑞边境的欧洲核子研究中心（CERN）超级质子同步加速器发出的中微子束，将穿过阿尔卑斯山地下，横跨波河，穿过意大利亚平宁山脉，并经过佛罗伦萨市下方，最终抵达位于意大利格兰萨索的中微子探测器。行程时间：2.5毫秒。
其次，因为中微子的数量如此之多，如果它们即使只有微小的质量，它们也比所有恒星和星系、宇宙中所有可见物质的总质量还要大。它们可能占物理学家和天体物理学家一直孜孜不倦寻找的暗物质的五分之一。最后，粒子物理学标准模型——它将所有物质描述为12种基本粒子（包括三种中微子味）和四种基本力——不允许中微子具有质量。但有些理论确实允许。证明中微子确实具有质量，并计算出其质量大小，将有助于物理学家确定这些理论中哪些是正确的（如果有的话）——从而加速描述所有力合一的终极理论的到来。
对物理学家来说，这些都是重要的赌注。因此，“中微子振荡产业”（正如其中一位物理学家在他的网络目录中所称）现在雇佣了全球900多名物理学家。据估计，他们参与的实验建造费用约为5亿美元。这些机器中的每一台都专注于问题的某个不同方面，试图以不同的方式扩展或证实神冈的发现；而且，由于成本高昂，每一项都是国际合作项目。例如，许多美国物理学家在神冈工作。中微子探测器之所以昂贵，是因为它们必须庞大且位于地下：庞大，因为中微子与原子相互作用的频率如此之低，你需要大量的原子才能捕捉到一个；位于地下，是为了防止稀有的信号被宇宙射线淹没。从地质角度来看，神冈甚至不是最令人印象深刻的。位于安大略省萨德伯里的中微子天文台，最近报告了太阳中微子振荡的有力证据，它位于地下超过一英里的铜矿中。
在当前一批实验中，最冒险和最有趣的几个实验是物理学家将自己制造中微子并将其束流传输到数百英里外的探测器。这个想法是，如此长的距离应该给中微子足够的时间进行振荡。由于光束将包含已知数量的单一“味”中微子，任何“味”的转换都应该显而易见。在位于日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室（CERN），去年秋天，施工人员为一个实验破土动工，该实验将于2005年启动，届时将把一束中微子穿过阿尔卑斯山脉、亚平宁山脉和半个意大利，发送到位于罗马以东山区格兰萨索地下实验室的探测器。这束光束将穿过454英里的坚实岩石。但对中微子来说，这不算什么。
去年深冬，在一个预示着春天到来、令人对大型项目充满乐观的晴朗日子里，我与一位和蔼可亲的瑞士物理学家康拉德·埃尔塞纳（Konrad Elsener）一起参观了欧洲核子研究中心（CERN）的施工现场。埃尔塞纳正在领导一个由物理学家和工程师组成的庞大团队，负责建造中微子束。我们驱车前往现场时，阿尔卑斯山脉在我们身后，法国汝拉山脉在我们前方；欧洲核子研究中心横跨法瑞边境，坐落在一个与农田、葡萄园和日内瓦西部郊区共享的山谷中。埃尔塞纳是一个不张扬的普通身材男子，面部宽阔，略带丰满，棕色头发稀疏，衣着随意——橄榄球衫、黑色运动鞋——这在欧洲核子研究中心是常态。
埃尔塞纳解释说，要制造中微子束，首先要制造质子束。而要制造质子束，则从一小瓶金属氢气开始——一个氢原子由一个质子和一个电子组成。你将少量氢气注入一个铁腔室，并在其一端给灯丝施加电压，使其喷射出电子。这些电子将氢原子上的电子撞掉，释放出质子——并产生粉红色的辉光。接下来，你通过无线电波的冲击来加速质子——先是在一条直管中，然后是在一个逐渐变大、呈圆形螺旋的管中。在它们绕着第三个也是最后一个周长为3.7英里的圆圈循环了约2万次之后，它们将以超过99%的光速运行。现在它们几乎准备好产生中微子了；它们只需要被瞄准。
在农田之中，埃尔塞纳和我驾车来到一栋两层楼的建筑前，它坐落在最后那段加速器——超级质子同步加速器（SPS）——的一个区域上方。我们乘电梯下降了20层，来到加速器隧道。隧道很大，但容纳质子的不锈钢管直径只有8英寸。周围的大型磁铁涂着鲜艳的红色或深蓝色，使质子保持在圆形轨道上（红色磁铁）并在管中心形成紧密的光束（蓝色磁铁）。SPS已经运行了20多年。埃尔塞纳带我沿着隧道走到一个点，那里最近在外墙上开了一个小钻孔，与圆环呈切线分支。我们向下凝视着那个孔：埃尔塞纳解释说，意大利就在那个方向。
当中微子实验在2005年启动时，这个交汇处的一个磁铁将从同步加速器中提取10微秒的质子脉冲。质子束将以倾斜的曲线，向下并向东南方向剥离，在大约半英里后会变直。届时它的倾角将为3.2度，罗盘方位为122.5度——笔直地穿过地球弯曲的地壳，直达格兰萨索。在使用质子制造中微子之前准确地瞄准它们至关重要；中微子是电中性的，因此无法操控。“只要你谈论的是带电粒子，你就可以用磁场引导它们，”埃尔塞纳说。“一旦你谈论的是中微子，它们就必须指向正确的方向。”
格兰萨索科学家们希望仍在建设中的BOREXINO中微子探测器能提供证据，证明电子中微子在从太阳到地球的旅程中振荡成μ中微子。上方的不锈钢球体完工后将包含一个直径28英尺的透明尼龙探测核心，内部充满300吨液体闪烁体。当中微子撞击闪烁体时，2200个光电倍增管——其中约600个在这张照片中可见，大部分仍覆盖着黑色保护塑料——将记录带电粒子在流体中穿行时发出的光痕迹。
当质子进入直线部分时，它们将撞击一系列细如铅笔芯的石墨轴。介子和K介子——短寿命的核粒子——将从石墨后方喷射而出。当这些粒子再飞行六十分之四英里，穿过一个真空钢管时，其中一些将衰变为μ子，最终衰变为中微子。在隧道尽头，约400英尺深处，所有这些混杂的粒子——幸存下来的质子、幸存下来的介子和K介子、μ子和中微子——将撞入50英尺厚的铁墙。这被称为束流收集器。它将过滤掉除了μ子和中微子之外的所有粒子。μ子将继续深入束流收集器后方的岩石约半英里。中微子则继续前往格兰萨索，在那里进入由意大利国家核物理研究所运营的地下实验室。绝大多数中微子将继续穿过实验室，直至无穷远。
已知中微子有三种“味”，每一种都以其在罕见地与探测器相互作用时产生的粒子命名：电子中微子、μ中微子和τ中微子。（μ子和τ子是电子的较重亲戚。）埃尔塞纳和他的团队将产生μ中微子。同样的事情一直在我们周围发生：来自太空的宇宙射线质子与大气中的原子核碰撞，产生μ中微子和电子中微子，它们像阵雨一样穿过我们的头颅——或者，如果它们是在中国上空的大气中产生的，则从我们的脚底喷涌而上。
当神冈的物理学家收集这些大气中微子时，他们发现的μ中微子数量远低于宇宙射线理论家预测的，尤其是在那些穿过地球并从下方进入锌矿的粒子中。这就是他们证明中微子振荡并具有质量的证据：振荡是“味”和质量的改变。研究人员得出结论，穿过地球的μ中微子有更多时间改变成探测器无法探测到的“味”。那种“味”几乎肯定必须是τ中微子——除非存在某种新型中微子。
欧洲核子研究中心（CERN）到格兰萨索的中微子束——简称CNGS——旨在证明μ中微子向τ中微子转变的假说。它将是纯粹的μ中微子束，需要2.5毫秒才能到达格兰萨索。在格兰萨索，将有探测器等待着，这些探测器与神冈的探测器不同，它们能够探测到τ中微子的特征。如果研究人员在μ中微子爆发离开日内瓦2.5毫秒后看到这种特征，那就意味着至少有一个中微子在途中变异成了τ中微子：案子结了。
然而，CNGS实验在欧洲核子研究中心一直备受争议，因为它耗资巨大——1亿美元——而且另外两个“长基线”实验已经先行一步。日本人已经从155英里外的同步加速器向神冈探测器发射中微子；而位于芝加哥西部的费米实验室，则希望在2004年启动一条454英里长的光束，射向明尼苏达州的一个铁矿，比CNGS早一年。这两个实验都缺乏直接探测τ中微子出现的分辨率，因此它们的目标是探测μ中微子的消失。但他们计划以间接方式进行。欧洲核子研究中心的一位西班牙理论物理学家阿尔瓦罗·德鲁胡拉（Alvaro de Rujula）告诉我：“等到CNGS收集数据时，问题已经解决并经过多次验证了。”“CNGS完全没用。”
宇宙的12种基本粒子物理学的“标准模型”将所有物质分为12种粒子，它们——至少目前——无法再被细分。普通物质由顶行粒子构成。下方较重的粒子在大爆炸后大量存在，但现在只有在高能状态下才能产生——例如通过宇宙射线或在加速器中。中微子不是原子的稳定组成部分；它们只在其他粒子衰变时产生。
当然，参与其中的人并不这么看；他们认为只有直接探测到τ中微子才能最终证明振荡情况。但他们也承认另一个危险：他们可能什么都探测不到。例如，μ中微子可能需要比从日内瓦到格兰萨索所需时间更长的时间才能振荡成τ子。“你担心到了2007年，你还没有看到一个τ中微子，”埃尔塞纳说，“不是因为光束不好或探测器不好，而是因为物理学就是这样。我偶尔会为此担心。那会很遗憾的。”
就在同步加速器大楼旁的一条便道上，埃尔塞纳和我参观了他去年秋天开始的质子束隧道的大规模土方工程现场。这次我们凝视着一个大洞：一个正在建设中的竖井，深度已达180英尺。一位名叫安东尼·普利（Anthony Pooley）的热情年轻土木工程师说，从这个竖井，隧道掘进机将向后挖掘500英尺到同步加速器，并向另一个方向，即东南方向，挖掘一英里半。普利指着勃朗峰以东，它在南方地平线上白色而巨大。“对我们来说，一个真正的大问题是校准，”他说。“隧道轴线必须在理论值的2英寸之内。”
但是CERN以前建造过加速器隧道和中微子束；那不是困难的部分。“这是一个经典的中微子束，”埃尔塞纳说，“探测器则是另一回事。它们非常创新。”
两天后，我乘坐火车向东、向南，绕过勃朗峰，进入意大利北部帕维亚，我约好要参观一个名为ICARUS的创新探测器。不过，在离开日内瓦之前，我与ICARUS的构想者卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）进行了交谈。鲁比亚曾任CERN主任，现任意大利新能源、能源和环境局局长。67岁的他，时间被“晚餐后的演讲和行政事务”占据，但他仍然一只脚踏在研究领域，并在CERN设有一个办公室。他身材高大，精力充沛，一直以其鲜明的个性而闻名；如今，他脸上布满深深的皱纹，灰白而略显蓬乱的头发和鬓角衬托着脸庞，他仍然散发出一种“活在当下，少废话”的气质。他带着秘书准备的简报夹和已经思考好答案的问题来与我交谈，这些问题是我提前提交的。这在科学家中很不寻常。1984年，鲁比亚与荷兰物理学家西蒙·范德米尔（Simon van der Meer）共同获得了诺贝尔奖，因为他们发现了W和Z玻色子，这些粒子传递弱核力——并解释了中微子为何如此难以探测。
尽管中微子是物质粒子，但它们对将微小物质碎片结合在一起的力——强核力和电磁力——免疫。中微子只感受弱力，弱力导致放射性衰变。它们在衰变过程中产生，例如“β衰变”，其中一个中子发射一个W玻色子，导致中子转变为一个质子、一个电子和一个中微子。中微子也因弱力而“死亡”，当它们与另一个粒子相互作用并转变为其他物质时。然而，要做到这一点，中微子本身必须将一个W或Z玻色子传递给另一个粒子。
神冈图为建设中的超级神冈探测器，旨在研究来自太阳或宇宙射线粒子与地球大气层碰撞产生的中微子。不锈钢罐直径131英尺，可容纳5万吨纯净水，并包含令人惊叹的光电倍增管阵列，用于探测地下罐内发生的中微子相互作用。
传递电磁力的光子和传递强力的胶子都是无质量玻色子，因此这些力作用范围很广。但弱力玻色子极重——正如鲁比亚在CERN同步加速器中制造它们时所展示的。它们的质量大约是质子的100倍，可能是中微子需要发射它们的质量的1000亿倍。在量子物理的世界里，由于不确定性原理，一只跳蚤确实可以将保龄球扔给另一只跳蚤。但这两只跳蚤必须非常靠近。中微子几乎从不与另一个粒子足够靠近，以至于能够向其投掷一个玻色子，仅仅因为原子、原子核，甚至原子核内部的质子和中子，大部分都是空旷的空间。（如果一个典型原子的原子核有棒球大小，那么围绕原子运行的最近的电子将在半英里之外。）所以中微子通常会径直穿过物质，不留下任何通过的痕迹。
要探测到一个中微子，你必须让大量的原子处于大量中微子的路径上，并仔细观察。你观察的不是中微子本身，而是它与原子相互作用时转化成的带电粒子。与中微子不同，这种粒子——电子、μ子或τ粒子，取决于中微子的“味”——会留下痕迹。寻找它的方法有很多。
例如，OPERA探测器将与ICARUS共享格兰萨索的场地，它将尝试用72道由23.5万块铅砖组成的连续墙体来阻止欧洲核子研究中心（CERN）的一些中微子。铅密度高，比黄金或钨便宜。墙体之间的塑料闪烁体层在带电粒子穿过时会发光。然后，一个机器人将在探测器上移动，并提取发出带电粒子的砖块。每块3英寸厚的砖块内部，夹在铅层之间，将有58层摄影胶片；在提取出的砖块中，所有58层胶片都将被冲洗并在显微镜下检查，同样由机器完成。如果带电粒子是由τ中微子产生的τ粒子，胶片将记录其独特的轨迹，长度为几百分之一英寸，然后突然改变方向。OPERA的物理学家希望他们的探测器每年能阻止欧洲核子研究中心向意大利发送的数万亿个μ中微子中的5000个。在这些被阻止的中微子中，他们预计有四到五个会改变“味”变成τ中微子。
与OPERA相比，后者是已验证的中微子探测技术的巅峰之作，ICARUS是一种未经检验的新设备，尽管卡洛·鲁比亚早在24年前就首次提出了它。此外，与OPERA不同的是，ICARUS除了寻找来自CERN的τ中微子外，还将寻找其他东西——例如大气中微子和太阳中微子。“大多数发现都是惊喜，”鲁比亚说。“我们的设备就像一个望远镜，一种让你能看到各种事物的新仪器。没有预设的观念告诉你应该看到什么——你看到一切。它提供给你一个真实的图像，就像相机拍照一样，只不过它是一个电子图像。它就像一台大电视。”
在帕维亚郊外的一个机库里，米兰西南30英里处，我乘坐剪叉式升降机来到ICARUS第一个模块的顶部，它刚刚完工。我的向导是克劳迪奥·蒙塔纳里（Claudio Montanari），一位帕维亚大学的年轻物理学家，他面带忧伤，轻声细语，他的博士论文就是关于ICARUS的，对它的每个细节都了如指掌。在探测器顶部，工人们来来往往，我们踩过螺母、螺栓、盒子和半组装的电子设备，谈论着我们脚下的东西。
ICARUS的第一个模块，预计将于今年晚些时候运往格兰萨索，它是一个由铝制成的矩形盒子，高宽各13英尺，长65英尺。液氮流经铝材，将盒子内的物品冷却至零下300华氏度。盒子内壁有三层钢丝，细到只有当光线从侧面照射时才能清晰看到。26,000根导线从盒子顶部一长排端口中成束地伸出，每个端口都有自己5英尺高的数据处理电子设备柜——因为当这个盒子运行时，导线每秒将吐出65千兆字节的信息。这些数据将来自盒子内部300吨液态氩——这就是它必须保持低温的原因。
听鲁比亚或蒙塔纳里谈论液氩，那是一种具有诸多优点的材料。首先，它像汽油一样便宜（空气中近1%是氩气）。更重要的是，氩是一种惰性元素：它的原子拥有所有它们需要的电子——不像氧气——并且不想再抓住任何电子。这意味着，当中微子在ICARUS中产生一个带电粒子，而该粒子又将电子从一长串氩原子上撞下来时，所有这些电子都能够在电场的拉动下，畅通无阻地移动到盒子侧面的导线处。从电子到达每根导线的那一刻起，计算机将重建粒子轨迹。每根导线都将像电视的扫描线一样。蒙塔纳里向我展示了一个样本图像，一张由宇宙射线产生的粒子簇射的黑底灰图，细节丰富，引人入胜。“这项技术真是太美了，”他说。
那个图像是用一个10吨的原型机制作的。最终，鲁比亚和他的团队希望建造一个至少包含四个模块、容纳1200吨氩气的探测器。最严峻的技术挑战之一将是保持氩气不受污染。“你必须拥有非常纯净的液氩，”蒙塔纳里说，“通常它含有氧气——而氧气会捕获电子。”即使百万分之一的氧气也可能毁掉一个中微子图像。蒙塔纳里和他的同事们希望通过不断过滤氩气，将污染降低到十亿分之一以下。这种大规模的操作能否成功尚不确定，这也是一些物理学家对ICARUS持怀疑态度的原因之一。尽管该项目作为格兰萨索实验获得了全额资助，但与OPERA不同的是，它尚未获得CERN的正式批准。
这让鲁比亚很恼火。“在这些事情上取得进展的方法就是引入新技术，”他说。“这是一种新技术；我们是唯一开发它的。它确实非常原创——而且乐趣无穷。我向你发誓，它乐趣巨大。如果这玩意儿能运行，我们就成功了。如果它不能运行，任何委员会都无法让它运行。我像一匹马一样工作；每个人都像疯了一样工作，只为让它运行起来。”
从诺贝尔奖获得者到博士后学生，中微子物理学家们并非每天早上都怀着推动知识前沿的渴望来到办公室。“我不能每天都想着τ中微子，”埃尔塞纳说。蒙塔纳里花了10年，他整个职业生涯都在ICARUS项目上。“你最初对科学问题感兴趣——你想看看某个假设是否正确，”他说。“但当然你也想证明你能让这些东西运作起来，这并非易事。对我来说，现在的主要动力就是看到探测器工作。之后我就可以重新投入物理研究了。”
日内瓦这座所谓的磁角是欧洲核子研究中心（CERN）将用于帮助其中微子束直线传播的两个磁角之一。当来自同步加速器的质子撞击石墨靶时，从后方飞出的带电粒子——它们很快就会衰变为中微子——往往会像霰弹一样散开。磁角内部的磁场将使它们变直，以便它们（希望如此）能够击中454英里外的意大利目标。
中微子最初于1930年被提出，仅仅是一个“记账技巧”——正如它的发明者沃尔夫冈·泡利自己所说，是“绝望的出路”。泡利因对β衰变的分析而陷入绝望，当时人们认为β衰变由一个中子衰变为一个质子和一个电子组成。他发现质子和电子的能量和动量之和与中子不符——而最基本的物理定律规定它们必须相符。泡利没有抛弃这些定律，而是宁愿想象有一个第三个、看不见的粒子从中子中飞出，其能量和动量将正好平衡账目。当时这似乎过于方便。1934年，当恩里科·费米（Enrico Fermi）给β衰变一个数学描述并给新粒子命名（意大利语意为“小中性粒子”）时，《自然》杂志拒绝了他的论文，称其“包含的猜测与现实相去甚远，不足以引起读者的兴趣。”
现在没有人怀疑中微子的真实性，但它们仍然令人不安，如果事实证明它们会振荡，则会更加令人不安。要理解这种现象，你必须将中微子不仅视为粒子和波——这是典型的量子力学——而且是波的组合。每种波都有略微不同的频率，每种频率都对应着一定的质量。当中微子诞生时，这些波是同步的。但由于它们不同的频率，这些波随着中微子在时空中传播而逐渐失同步。波开始相互干涉；有时一种频率占主导，有时另一种。有时中微子具有一种质量，有时是另一种。有时它具有一种“味”，有时是另一种。当你确定一个性质时，另一个就会模糊：这又是旧的量子力学不确定性。但这正是中微子的本质——它与其他基本粒子不同。
在泡利巧妙的“戏法”七十年后，物理学家们仍在努力弄清中微子的基本性质。“物质的组成部分并不多，”蒙塔纳里说，“只有12种。中微子占据了四分之一。它们如何与其他粒子相互作用，它们是否有质量——这些都不是微不足道的问题。”
查找文中讨论的中微子探测实验链接以及更多内容，请访问www.hep.anl.gov/ndk/hypertext/nuindustry.html。
有关萨德伯里中微子天文台的更多信息，请访问www.sno.phy.queensu.ca。
为什么中微子如此受关注？在此了解：www-e815.fnal.gov/~bugel/why.html。
还不确定中微子是如何诞生的？请查看pdg.web.cern.ch/pdg/cpep/neutrinos.html。
