一個失敗的核實驗如何意外地產生中微子天文學？

有時候，設計最完美的實驗也會失敗。所尋找的效應可能不會發生，意味著我們要始終準備好接受一個無效結果。當這種情況發生時，這個實驗通常會被認為是失敗的。

然而，偶爾所造的設備可能對其他的東西非常敏感。當以一種新的方式，新的靈敏度，或在新的，獨特的條件下進行科學研究的時候，這通常是產生最令人驚訝，最意外的發現的情況。1987年，一項檢測質子衰變的失敗實驗首次發現中微子不僅來自我們的太陽系外，還來自銀河系以外的地方。這就是中微子天文學誕生的方式。

中微子是理論物理史上最成功的發現之一。在20世紀早期，有三種已知的放射性衰變：

（1）α衰變，一個較大的原子射出一個氦核，在元素周期表下移兩個元素。

（2）β衰變，原子核釋放出一個高能電子，在元素周期表上上移一個元素。

（3）γ衰變，原子核釋放出一個高能光子，在元素周期表上保持同一位置。

在任何反應中，根據物理定律，無論初始反應物的總能量和動量是多少，最終產物的能量和動量需要一致。α衰變和γ衰變一直都遵循這個定律。但β衰變中的能量總是失去。

1930年，沃爾夫岡?泡利提出了一種新的粒子來解決這個問題，即中微子。這個微小、中性的粒子會攜帶能量和動量，但極難被探測到。它不會吸收或發射光，而且僅與原子核非常罕見地相互作用。

泡利在提出有這種粒子之後沒有感到自信和興奮，而是感覺羞愧，因為他覺得自己假設了一個無法發現的粒子。儘管他持保留意見，但實驗證明了這一理論是正確的。

1956年，中微子（或者更確切地說是反中微子）首次作為核反應堆的一部分被直接探測到。當中微子與原子核相互作用時，會產生兩種結果：

（1）它們散射，引起反衝，就像一個撞球撞到其他撞球一樣；

（2）它們導致發射新粒子，新粒子有自己的能量和動量。

無論哪種方式，都可以在期望中微子相互作用的地方建造專門的粒子探測器來尋找它們。這就是第一代中微子被探測到的方式：在核反應堆的邊緣建造對中微子特徵敏感的粒子探測器。如果我們重現包括中微子在內的產物的所有能量，那麼能量是守恆的。

理論上，無論核反應在哪裡發生，都會產生中微子，如在太陽、恆星和超新星中，以及每當高能宇宙射線撞擊地球大氣層中的粒子時，也會產生中微子。到20世紀60年代，物理學家在建造中微子探測器，以尋找太陽（來自太陽）和大氣（來自宇宙射線）的中微子。

大量的有質量材料被設計用來與探測器里的中微子相互作用，這些材料將被這種中微子探測技術所包圍。為了保護中微子探測器遠離其他粒子，它們被放置在地下：在礦井中。只有中微子才能進入礦井，其他的粒子應該會被地球吸收。到60年代末，太陽和大氣中的中微子都已經成功地找到了。

為中微子實驗和高能加速器開發的粒子探測技術被發現適用於另一種現象：尋找質子衰變。雖然粒子物理學的標準模型預測質子是絕對穩定的，但在許多擴展理論中，比如大統一理論，質子可以衰變為更輕的粒子。

理論上，當質子衰變時，它會以極高的速度發射低質量粒子。如果能探測到這些快速移動粒子的能量和動量，就可以重建總能量，看看它是否來自一個質子。

如果質子衰變，那它們的壽命一定非常長。宇宙本身是10^10年的歷史，但是質子的壽命必須要更長。那是多久？關鍵是不要只看一個質子，而是看一個大數目。如果一個質子的壽命是10^30年，那可以取一個質子，等待那麼長的時間（不太實際），或者取10^30個質子，等1年，看看是否有衰變。

一公升的水含有超過10^25個分子，其中每個分子包含兩個氫原子，原子中一個質子被一個電子圍繞。如果質子是不穩定的，那麼一個足夠大的水池，加上周圍有大量的探測器，就可以測量或抑制它的穩定性/不穩定性。

1982年，物理學家開始在日本神崗礦區建造一個大型的地下探測器。探測器被命名為神岡核子衰變實驗。它的體積大到可以容納3000噸的水，周圍大約有上千個被優化的探測器，以探測快速移動粒子發出的輻射。

到1987年，探測器已經運行了好幾年，但一個質子衰變都沒發現。在這個容器中大約有10^33個質子，這個零結果完全排除了大統一理論中最流行的模型。據我們所知，質子不會衰變。

神岡核子衰變實驗的主要目標失敗了。

但隨後發生了意想不到的事情。16.5萬年前，在銀河系的一個衛星星系中，一顆大質量恆星到達了生命的盡頭，最後發生超新星爆炸。1987年2月23日，這束光第一次到達了地球。

但在這束光到達之前的幾個小時，神岡核子衰變實驗發生了一些不尋常的事情：總共12個中微子在大約13秒內到達。總共有兩次爆發，第一次包含9個中微子，第二次包含3個中微子，證明了產生中微子的核反應過程在超新星中大量存在。

這是我們第一次探測到來自太陽系外的中微子。中微子天文學的科學才剛剛開始。在接下來的幾天里，來自這顆超新星的光被許多陸基和天基天文台觀測到處於各種波長中，這顆超新星現名為SN 1987A。基於中微子的飛行時間和光到達時間的微小差異，我們了解到：

（1）中微子以與光速不相上下的速度飛行了16.5萬光年；

（2）它們的質量可能不超過一個電子的1/30000；

（3）中微子在從坍縮恆星的核心到它光球層的過程中並沒有減速，就像那束光。

即使在今天，也就是30多年後，我們還可以研究這顆超新星遺迹，看看它是如何演化的。

這一結果的科學價值必須加以重視。它標誌著中微子天文學的誕生，就像第一次直接探測到來自黑洞合併的引力波，標誌著引力波天文學的誕生。這是多信使天文學的誕生，標誌著第一次在電磁輻射（光）和另一種方法（中微子）中觀測到同一天體。

它向我們展示了使用大型地下設備來探測宇宙事件的潛力。它給了我們一個希望，有一天我們可能會做出終極觀察，即光，中微子，和引力波聚集合在一起的一個事件來告訴我們宇宙中天體的運轉方式。

最巧妙的是，它導致了神岡核子衰變實驗的重命名。神岡核子衰變實驗完全失敗，所以這個名字淘汰了。但是從SN 1987A的中微子中得到的驚人觀測結果催生了一個新的觀測台：神岡中微子探測器實驗。在過去的30多年裡，這個探測器已經升級了很多次，世界各地也出現了多個類似的設施。

如果今天銀河系內有一顆超新星爆炸，我們將會接收到超過1萬個中微子到達我們的探測器。所有這些結合起來，進一步限制了質子的壽命大於10^35年，但這不是我們建造它們的原因。每當一場高能量的災變發生時，中微子就會在宇宙中加速。有了我們的探測器，中微子天文學會蓬勃發展，而且準備好接受宇宙發送給我們的一切。

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