地下2 100米的伟大研究

老乔

2015年的夏天，笔者有幸参观了萨德伯里中微子观测站实验室，实验室位于加拿大东部的魁北克省的小镇萨德伯里，距离多伦多约400千米。

萨德伯里是一座在100多年前因采矿业而兴建起来的小城，以丰富的镍矿闻名于世。如今漫步城中，很难想象这座美丽的生态城市曾经遭受过重度的工业污染，近几年才逐步恢复生机。

淡水河谷公司（Vale）的克莱顿矿区在这座城市的最西边，那儿有加拿大最深的镍矿矿井。矿业公司将矿井2 100米深处的一处矿道租借给了科学家们建造地下实验室，进行粒子物理学的研究。在初期，实验室的建造是为了开展萨德伯里中微子观测（SNO）实验，这也是实验室名字的由来。在SNO实验进行的同时，人们又扩建了实验室，给当前和未来的实验研究提供更大的实验空间和更先进齐全的设备。这个实验室里诞生了2015年诺贝尔物理学奖获得者加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳。

说到这里，读者们肯定会有疑问：为什么要在地底下建造实验室？中微子是什么？为什么要探测中微子？以下就让我们全面了解一下这个全球著名的极深地下试验室之一的SNO实验室。

“狡猾”的中微子到底是何方神圣？

SNO实验的开展，是为了测量太阳中微子，因而在介绍这个实验室之前，我们必须先要了解中微子是何方神圣，听说是个非常“狡猾”的家伙。

中微子是一种微观粒子，它是在核反应或放射性衰变等过程中产生的。在1930年，人们通过β衰变的实验结果，首先从理论上预言了它的存在。在这个过程中，原子核内的中子通过释放电子和中微子转变成了质子（这里产生的电子在早期被称为β粒子，因此这种放射性衰变称为β衰变）。它的质量极小，大约是电子的1/200，在空间里自由飞行时的速度接近光速。中微子不带电，几乎不会和日常物质里的原子发生反应，所以它可以轻而易举地穿过物体，如同神话里穿墙的茅山术士。中微子的这个性质让它很难被人们捕捉到，显得非常“狡猾”，想象一下：在中午的时候，翘起你的大拇指，每秒钟都会有大约几百亿个来自太阳的中微子穿过你的大拇指指甲，但是你却没有任何感觉。尽管捕捉中微子的难度极大，人们依旧凭借聪明才智和努力的汗水，先是在1956年的时候证实了它的存在，随后又开展了各项捕捉和研究中微子性质的实验。研究中微子可以帮助粒子物理学家更好地理解基本粒子的行为，从而对物理学有更深层次的理解；另外，研究恒星、超新星的天体物理学家也对中微子情有独钟。

位于加拿大的SNO实验室为什么要建在地底下呢？

太阳在热核反应时会释放出大量中微子，这些中微子携带有太阳内核的信息，可以帮助人们认识太阳内核的反应。为了探测太阳中微子，来自加拿大、美国和英国的科学家在地下空间里建造了这个实验室。可是为什么要将实验室建在地下呢？

原来，中微子在探测装置里产生的信号非常微弱，在宇宙中还存在其他粒子组成的束流，称为宇宙射线。它们的能量一般很高，与大气层中的分子作用，又会产生大量其他的粒子。这些粒子的信号会干扰中微子的探测信号。但是，由于它们大部分都带电，可以与物质相互作用从而被吸收掉。就像核电站采用厚厚的混凝土板来阻挡反应堆里产生的有害射线一样，这里把实验室放到很深的地底下，利用实验室上面的土壤和岩石来阻挡这些干扰射线，把这些干扰降到最低。SNO实验室原来是世界上最深的地下实验室（距地面约2 000米），现在已被中国的锦屏山地下实验室所超越（距地面约2 400米）。

认识世界的本原，怎么这么难？

庄子云：“一尺之锤，日取其半，万世不竭。”庄子认为：拿一尺长（约33厘米）的木杖，先切掉一半，然后剩下的再切一半，可以永远切下去。然而，科学家们却有一种信仰，庄子所设想的每天切木杖，并非“万世不竭”，而是总有一天会到达极限，得到的是世界上最基本的物质——组成世界的本原。我们缤纷复杂世界，最终可以还原成这种最基本的物质的排列组合。

然而目前，电子、夸克、中微子和其他几种微观粒子是科学家们所发现的最基本的粒子。科学家们对此远远不满意，依然希望能研究清楚它们的性质和相互之间的联系，从而找出它们背后更本质的东西。其中，中微子有着非常神秘的性质：早期的太阳中微子探测实验发现，所探测到的太阳中微子数量大致为预测的1/3到1/2，是描述太阳核反应的理论错了，还是“狡猾”的中微子有未知的性质？认识世界的本原，怎么就这么难！

当时有一种理论认为，从太阳内核产生的电子型中微子在飞向地球的途中会“变身”成其他类型的中微子，而之前的实验只能测量电子型中微子，所以造成了丢失。到了1984年，加州大学的教授，美籍华人陈华生提出了一种利用 重水作为探测介质来测量太阳中微子的实验方案。由于不同种类的中微子和重水里的氘、电子发生反应，会产生三种不同的信号。通过区分和比较这些不同的信号，就可以清晰地看出电子型中微子和未知种类的中微子在数量上的比例和中微子的总量，从而解决太阳中微子问题。陈华生为了实现他的想法，在美国和加拿大之间奔走，最终决定利用在加拿大萨德伯里矿山中的地下空间，建造实验室和实验用的重水探测装置——SNO探测器。

SNO实验的建造和测试运行前后历经了18年，其中还包括了长达8年的瓶颈期。在这漫长的时间里，加拿大科学家亚瑟·麦克唐纳德率领研究团队最终在2001年完成了太阳中微子的测量，证实了中微子并未丢失，只是“变身”了，揭开了太阳中微子之谜。

还记得参观实验室的那天，清晨不到五点，我们便动身出发，赶6点钟下矿的那班升降笼。在蜿蜒的小道上飞驰不久，便能看见几根烟囱和远处一座绿色的没有窗户的大厦——那是从矿井运输矿物的升降机，SNO实验室的地面办公楼就在它的旁边。

随后，管理员南茜帮我们领取装备，指示我们进行访客登记。我们各自领到了姓名牌和矿工装备：一双沉重的防护靴、头盔、插在头盔上的小手电和一件带有反光物质的连体服。怀特先生是实验室的安全总负责人，他是一个严肃、沉默寡言的老人，体格健壮硬朗。在他的带领下，我们步履蹒跚地走到对面的矿井大楼的入口处，六点钟的时候，清脆的上工铃声响了。升降笼的操作员鸣笛示意，打开闸门，我们和SNO实验室的科学家、矿工们依次进入。大家紧紧抓住扶手站稳后，操作员再次鸣笛，开始下降。升降笼的速度可达10米/秒，耳旁呼呼成风，耳朵有一种胀痛感。十几分钟的时间，我们便抵达了2 100米的矿道。

怀特先生带着我们依次进入各个工作区域进行参观。第一个便是SNO实验区域。目前SNO实验正在进行升级工作，开展“SNO+”实验。在操作间，几位工程师正紧张地监控着探测器的液体运行。接着是SNO探测器的控制室。在进入之前，又需要在一个类似电话亭的风淋室中，让吹出来的风再次除尘。因为安全的原因，我们不能过去张望，亲眼目睹SNO探测器。接下来参观的分别是Picasso暗物质实验区和DEAP/MiniCLEAN暗物质探测实验区，整个过程约2小时。

返回地面，整理好行装的时候已经是下午4点了。萨德伯里的夏天一般为25度左右，太阳要到9点后才落山。我们在这清爽美好的夏季，进入了幽暗的地下世界，寻访了人类因为纯粹的对于真理的追求，耗费了大量人力和物力建造的实验和实验室，真是大开眼界。然而人类的追求永远不会停止：目前，我国的锦屏山实验室（2 400米）在深度上已赶超了SNO实验室。一系列比当年的SNO探测器更大、技术更先进的实验正在马不停蹄地筹备中……我们要保持乐观的精神，相信人类在解决未知的道路上所做的努力，必然会有所收获。

人物链接

陈华生和亚瑟·麦克唐纳德

在SNO实验万事俱备即将启动实验建设的关键时刻，令人遗憾的是，才44岁的陈华生却罹患重病，在与白血病斗争了1年后，于1987年撒手人寰，可谓“出师未捷身先死”。如今资料上很难找到他更详细的事迹，除了他所任职的加州大学尔湾分校的档案里有几段简短的介绍：陈华生，1942年生于重庆，在战火中长大，经历了坎坷而艰辛的童年后，最终和家人辗转到了美国。他依靠全额的奖学金，先后在加州理工大学、普林斯顿大学获得了学位，在中微子的理论和实验研究中取得了不少成果。

在他去世后，他的合作者，加拿大科学家亚瑟·麦克唐纳德继承了他的遗志，用无比坚毅的决心去实现这个实验计划。亚特·麦克唐纳德和SNO实验在2015年底获得了诺贝尔物理学奖。当人们问起麦克唐纳德如何克服困难和实验成功的秘诀时，这位如今白发苍苍的老人满脸笑意，和善的蓝眼睛里透出了一份俏皮：“永远保持幽默感。要把人放到合适的位置上。不要去埋怨或责备谁，去动手解决问题。”