巨型地下實驗室：地下1500米揭曉支配宇宙神秘規則

「深層地下中微子實驗室(DUNE)」將探測到1280公里之外的幽靈微粒，或將揭曉支配宇宙的神秘法則。

「深層地下中微子實驗室(DUNE)」設立在美國南達科塔州霍姆斯特克金礦，它將探測位於伊利諾斯州費爾米國家加速器實驗室製造的中微子。

大科學事件通常意味著需要努力思考和聰明的規劃，這將研製出最尖端的科學設備，並有望獲得突破傳統的重大發現。目前，科學界權威人士和應邀的社會顯要人物做出一個重要決定，使一些科學夢想進一步成為現實：他們將建造一個巨大的地下實驗室，有望揭曉支配宇宙的重要規則。

這個最新科學設備叫做「深層地下中微子實驗室（DUNE）」，將部署在桑福德地下研究機構（SURF），這裡曾經是南達科塔州霍姆斯特克金礦。DUNE實驗室將探測叫做中微子的亞原子微粒，距離芝加哥以西費爾米國家加速器實驗室1280公里。

DUNE是一個重大科研項目，來自全球1000多位科學家參與該項目，該探測器非常龐大，並需要建造在霍姆斯特克礦1500米深的一處地下洞穴中，為了製造這個洞穴，工人需要挖掘80萬噸岩石，其重量相當於八艘現代航空母艦的重量。在高峰期此項挖掘工作需要南達科塔州大概2000個工作崗位。

幽靈粒子

中微子是亞原子微粒，但它不同於質子、中子和電子，它們對於構建原子結構不具有關鍵角色，它們是地球上放射性元素衰變時產生的，這一過程叫做「β衰變」。事實上，在3種已知亞原子作用力中（電磁、或強和或弱的核力），中微子僅能感知微弱的力量，由於中微子的弱作用力，它們很少與其它物質發生交互。

這些幽靈粒子在宇宙無所不在，除了形成於β輻射，它們還大量出現在核反應堆中。雖然分布全球的核電站也能製造中微子，但最大的核反應還是出現在太陽。太陽每秒噴射大量的中微子，儘管地球與太陽的平均距離大約是1.5億公里，平均每秒太陽噴射抵達地球的中微子數量大約100萬億，這些中微子根本不會對人體構成威脅。

為了讓人們真實理解這一過程，假設你是一位中微子恐怖症者，希望屏蔽持續降落至身體上的中微子。這是可能的，至少從理論角度具有一定「現實意義」。中微子與物質發生微弱交互作用，如果你希望身體屏蔽來自太陽的中微子，你可以使用一塊非常厚的鉛板。鉛板需要足夠厚度，能夠阻擋一半的太陽中微子，這塊鉛板非常厚，足以填補地球和第二顆鄰近恆星半人馬阿爾法星之間的空間，它與地球之間的距離超過4光年。如果中微子能夠多數穿過鉛板，那麼它肯定能夠穿過人體，就此而言，甚至包括地球。

令人驚奇的中微子

為什麼中微子會讓人們關注呢？在過去1個多世紀里，中微子曾多次令科學家感到驚奇，儘管中微子在β衰變中釋放中微子，它們的交互作用非常弱，之前科學家無法長時間探測到它們的存在。因此，它看上去就像β衰變打破了物理定律，能量和動量似乎並不守恆，換句話講，最初原子核能量並不能完全解釋它的衰變過程。

1930年，物理學家沃爾夫岡·保利（Wolfgang Pauli）提出中微子是無形的，本質上是無法察覺的微粒，它們可用於解釋β衰變過程。直到1956年，科學家探測到一個核反應堆釋放中微子，運行這項實驗的科學家是弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）和克萊德·考恩（Clyde Cowan），在他們決定使用不引人注目的反應堆之前，考慮試圖從核爆炸中捕捉中微子脈衝。

同樣在1956年，科學家吳健雄（音譯）進行了另一項實驗，他使用鈷原子核的β衰變顯示了控制中微子的力量，弱核力擁有一個驚人的特徵，涉及弱核力的現象可在我們熟悉的宇宙中觀測到，它不太可能出現在一個鏡相宇宙之中，也就是說，當一個方向發現切換，例如：左右交換，上下顛倒等。

這一觀點與強核力和電磁學形成鮮明的對比，這種方向的切換是可以實現的。但由於弱核力不遵循這種上下、左右對稱的方向切換類型，如果愛麗絲穿過這樣的鏡面，她將遭遇一個真實、但不同於我們的現實世界。最終，俄羅斯物理學家列弗·朗多（Lev Landau）證實稱，控制宇宙物質的法則支配著鏡相宇宙中的反物質，或者物質和反物質都是鏡相圖像。這項發現涉及中微子和弱核力，可能重新改寫科教書相關內容。

行為怪異的粒子

上個世紀60年代，中微子帶給我們多個驚喜。1962年，物理學家利昂·萊德曼（Leon Lederman）、梅爾文·施瓦茲（Melvin Schwartz）和傑克·施泰因貝格爾（Jack Steinberger）發現存在兩種類型的中微子（2000年科學家發現在費爾米國家加速器實驗室發現第三種類型的中微子）。更大的驚喜發生在當化學家戴維斯·大衛（Raymond Davis）試圖使用一個奧運會游泳池大小的桶狀結構裝滿乾洗液作為一個中微子探測器，探測到來自太陽的中微子，乾洗液中的氯與太陽中微子發生交互反應，將其轉換成放射性氬和電子，通過測量氬，科學家間接地發現了中微子，有趣的是，大衛的中微子探測器也設立在霍姆斯特克金礦。

雖然大衛觀測了太陽中微子，但是他僅看到自己預期的三分之一，儘管這可能是一個錯誤的測量或者預測，但後續實驗表明，他的測量是正確的。差異的原因可能是中微子在傳輸狀態中持續衰減，但事實證明，這並不是真正的答案。另一種可能性是中微子可以從一個變體演變至其它的變體，這種變體過程叫做「中微子振蕩」，因為中微子可能從一種類型變形至另一種，並再次轉變成最初類型。在1998至2001年之間的一系列實驗中，科學家證實了中微子振蕩的存在。

神秘的反物質

中微子振蕩的發現將有助於科學家更好地理解這一現象，這些信息知識很容易通過使用粒子加速器獲得，在美國、歐洲和日本，科學家能夠產生中微子束，最強大的中微子束形成於費爾米國家加速器實驗室。在美國明尼蘇達州北部礦坑進行一項叫做「主射中微子碰撞搜索（MINOS）」的早期實驗中，費爾米國家加速器實驗室朝向MINOS探測器發射中微子束穿過地球（中微子很少相互作用，所以沒有隧道，中微子幾乎能夠貫穿地球）。

MINOS實驗從2005年運行至2016年，一項叫做「NuMI離軸中微子外觀（NOVA）」的後續實驗於2014年開始，這個遙遠的探測器位於明尼蘇達州的灰河。因此，費爾米國立加速實驗室自然地成為釋放中微子至DUNE的實驗室，此次實驗室設置在南達科塔州，而不是明尼蘇達州。

為什麼科學家希望建立DUNE實驗室呢？當然，DUNE實驗室能夠更好地描述中微子振蕩的特性，但是這裡存在一個問題非常吸引人。費爾米國立加速實驗室能夠同時製造中微子和反物質中微子，並且DUNE實驗室可以同時使用這兩組數據研究物質和反物質中微子的振蕩特性。依據科學家的預測，這兩種振蕩是相同的，目前DUNE實驗室可以驗證這一情況。

為什麼物質和反物質中微子存在著振蕩差異呢？可以使用「標準模型」來解決這個問題，標準模型表明，我們可以轉換能量至物質，反之亦然。但是當能量轉換成為物質，將形成大量的反物質，在宇宙大爆炸時會產生大量能量，因此我們的宇宙應當包含相同數量的物質和反物質，但是為什麼僅剩下物質，我們卻並不知曉。

1956年科學家吳健雄的實驗表明，弱核力法則支配著我們宇宙中的物質，支配著一個鏡相宇宙中的反物質。因此它們的差異可能證實物質和反物質中微子碰撞的差異性。如果科學家觀測到這些振蕩的不對稱性，很可能揭示了物質-反物質的不對稱性。

DUNE實驗室還具有其它的功能，例如：能夠探測到銀河紗和鄰近星系中超新星釋放的中微子。同時，它可用於搜尋中子星合併時暴力天文事件釋放的中微子，或者可以揭曉關於黑洞的交互作用。

同時，DUNE實驗室還將搜尋質子衰變，標準模型預測質子非常穩定，並且不會發生衰變。通過實驗我們知道如果質子發生衰變，其半衰期將比10^34年更長。然而，一些最新理論延伸了標準模型的預測結果，在時間尺度上，質子衰變時間可能僅比當前極限略長一些。因此，如果DUNE實驗室觀察到了質子衰變，這將有助於我們更加深刻地理解宇宙，同時，觀察到的質子衰變能量將高於大型強子對撞機獲得的數據，大型強子對撞機是世界上最強大的高能粒子加速器。

DUNE實驗室被認為是美國未來幾十年的「旗艦實驗室」，大量的國際合作專家將對實驗室獲得的數據進行分析，觀察是否中微子將出乎人們的意料之外，如果這是真實可能的，它不會是第一次令我們感到吃驚。（葉傾城）

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