幽灵与机器

于巧峰

中微子研究是美国对新一代物理学的贡献。

在伊利诺伊州平原深处，有一个人造洞穴，裸露的岩墙上有用白漆喷涂的一个圆圈，里面堆满了科学设备。站在它前面，你就站在了受世界上最强中微子束辐射的道路上。这些中微子束来自附近费米实验室的粒子加速器，费米实验室是美国主要的粒子物理实验室。与其他类型的加速器一样，站在这样的粒子束中会导致惊人的、致命的后果。但你们不会瞬间汽化，也不会在几周后得癌症或具有超能力。

这正是要点：中微子是可怕的东西。在1秒之内，每立方厘米的空间中有数十亿个中微子穿过，但因为它们只能感受到四种基本物理力中的两种最微弱的力——重力和被恰当命名的弱核力，而感受不到电磁力和强核力，因此几乎不与其他物质相互作用。

尽管如此，中微子仍然是一个热门话题，因为研究它们可能揭示标准模型之外存在的物理现象。这是2012年完成的粒子物理学的理论框架，当时欧洲核子研究中心的大型强子对撞机刚刚找到了希格斯玻色子。接下来，物理学的重点是在标准模型之外进行探索。2014年5月发表的一份关于美国物理学的未来的报告公布了一项计划，准备使美国成为世界中微子研究的领导者。

中微子是有趣的，因为它们不遵守规则。标准模型显示它们应该是无质量的，根据爱因斯坦的理论，这意味着它们一定是以光速运动，但不经历时间的流动。然而，1998年在日本完成的一项实验表明，中微子在空间中尖啸而过时会自发地在它们存在的三种变体中进行转变（称为电子、μ介子和τ中微子），这一过程被称为振荡。

振荡意味着中微子经历时间。反过来，这意味着它们必须比光传播得慢，因此有质量。这是一个可以将标准模型撬开的杠杆。作为粒子物理学的老前辈，史蒂夫·温伯格是这一模型的构建者之一，他将中微子质量描述为这25年以来粒子物理学最重要的发现。

但振荡的细节仍不完整。目前，科学家寄希望于2014年7月开始的“新星”计划。“新星”是一个实验，旨在把这些细节明确下来。中微子束通过白色圆圈继续在地球上穿行810千米，到达位于明尼苏达州北部的探测器。当它到达时，其中的μ介子中微子会自行转变成电子中微子。而“新星”将精确测量这种转变发生的频率。

除了三个变体，中微子还有三个不同的质量。科学家已经知道，其中两个是紧密匹配的，而第三个则大得多或小得多。“新星”计划如果获得成功，就应该发现这一点，而这反过来应该可以阐明中微子最初是如何获得质量的。

这一切听起来相当有技术含量，中微子物理学也确实有一些非常重大的影响。具体来说，它可以解释宇宙中究竟为什么存在万物。像其他物质一样，中微子也有它的反物质。众所周知，物质和反物质在接触过程中彼此湮灭。这里存在一个问题：现有理论认为宇宙大爆炸产生了相同数量的物质和反物质，而这意味着现代宇宙应该不比湮灭辐射后的“清汤”浓多少，但事实显然并非如。

对物质优势的最好解释是它和反物质并不完全平等、对立。目前，一些不平等现象已被世人所知，涉及被称为b介子和K介子的粒子，但它们不足以解释物质的量。许多物理学家认为，中微子以与它们的反中微子对应物不同的方式进行振荡，而且这可能起到一个足够大的作用，可以填补这一差距并解释宇宙为什么是它看起来的样子。通过在中微子和反中微子之间转换光束，“新星”实验可以瞥见这种差异。不过，一个更加敏感的后继实验——计划于2022年完工的长基线中微子设施，能够对它们进行更全面的探索。

长基线中微子设施将通过观察其中一个中微子与一个巨大液氩罐中的原子相互作用时发出的闪光来探测中微子。但中微子并不是导致这种闪光的唯一物质。标准模型认为，帮助构成原子核的质子是稳定的，但许多后标准模型理论不同意这种观点。在他们的预测中，质子应该衰变成轻粒子。事实上，人们从没有观察到过质子衰变成轻粒子，这表明这种情况是极其罕见的。但长基线中微子设施的34000吨液氩罐可以容纳大量被加以仔细观测的质子。如果这些粒子真的可以自发消耗，长基线中微子设施就有很大机会定位它。

它甚至可被当作一个望远镜。超新星爆发会产生数量惊人的中微子，它们的幽灵特质使得它们不受阻碍地逃离了爆炸的超密中心。通过记录中微子脉冲逃离超新星的情形，长基线中微子设施与其他现有的中微子探测器可以让天文学家探察到这样的极端环境中发生了什么。

在长基线中微子设施建成之后，物理学家对亚原子世界的探索将逐步加深，他们必须利用越来越大的机器。出于设备成本的考虑，粒子物理学正越来越成为一个国际共同参与的科学。长基线中微子设施的预算是15亿美元，不过这少于大型强子对撞机的90亿美元成本，因此还是划算的。