中微子實驗室代表科學的「希望工程」

中微子物理學在未來物理學的發展中無疑佔據了舞台的中央，「神出鬼沒」的幽靈中微子成為粒子物理學下一個階段的研究重點。近日，美國一個科學小組發布了一份頗有影響的報告，他們提到了中微子研究「重點工程」的概念，科學小組將粒子物理學的優先項目簡稱為P5，他們在報告中呼籲，聯邦政府在未來的10年、或更長一段時間投入數十億美元，以國際科學合作方式建成和運行P5項目。報告提交到了聯邦政府的高能物理學諮詢委員會，如果科學小組的報告通過了委員會的評估，那麼報告將成為一份指導性文件，能源部和國家科學基金會將會為項目注入主要的資金，滿足科學家對中微子物理研究的資金需要。

P5項目設立了中心內容，創建一個總額為15億美元的國際合作科學計劃，擬定以15億美元的投入建成一個大型的長基線中微子實驗室，實驗設施總部位於伊利諾伊州的費米國家加速實驗室。科學家在費米實驗室進行了兩年多的中微子實驗，他們積累了一些科研數據。科學小組報告呼籲，在費米實驗室建造一個強大的粒子加速器，以大型加速器產生中微子和反中微子聚焦束，正反中微子束「輕鬆地」穿越800英里長的地殼，它們被直接地傳送到另一個中微子實驗室，在南達科他州的桑德福擬建一個地下探測器實驗室。對中微子在傳輸過程的特徵進行檢測，從中獲得了中微子和反中微子不同的數據線索。科學家長期以來遇到了一個謎團，為什麼在我們可觀測的宇宙中物質和反物質的數量出現了不平衡？物質佔據了絕對的「壟斷」地位，我們看到和觀測到的是普通物質和暗物質，「反物質去哪兒了」？

——LHC作為P5的樣板

科學小組在報告中呼籲聯邦政府出資大約10億美元，項目的建設周期為10年，預期國際合作夥伴投入其餘的5億美元。國際技術和資金合作的長基線中微子實驗室項目被稱為LBNF，總體項目規劃的思路與投資100億美元的歐洲大型強子對撞機極為相似，LHC建在法國和瑞士邊境，主要由歐洲核子物理實驗室負責管理和運行。聖克魯茲粒子物理研究所的物理學家史蒂文·里茨擔任P5項目的主席，P5科學小組召集了20多位世界各地的物理學家，成員包括了歐洲核子中心（CERN）的物理學家。里茨解釋說，費米實驗室可能成為中微子項目研究的東道主，世界各國的科學機構協同配合，推動中微子科學項目的發展，國際合作的科研方式在LHC實驗室取得了成功的經驗。

除了中微子的特性以外，對中微子的研究具有其它粒子物理學的意義。神秘的希格斯玻色子的發現為LHC取得的最高成果，一旦LHC完成了設施的維護升級工程，它將會持續承擔檢測希格斯粒子特性的後續研究，LHC在設備升級的基礎上將在探索暗物質、暗能量和宇宙膨脹領域發揮更大的作用。P5科學小組注意到日本對主持建造國際線性對撞機（LLC）表達了濃厚興趣，LLC被認為是LHC的重要補充，LLC的工作原理是實現電子和反電子束的對撞，在「正負電子對撞機」中，電子和反電子束的能量被加速到1萬億電子伏特。如果日本的LLC項目獲得成功，那麼美國在其中扮演一個輔助和支持者的角色。

——中微子在未來物理學扮演中心角色

日本的LBNF項目大約從2018年開始建設，項目建設的高峰期在2020年代的早期到中期，歐洲原子能中心的LHC處在緩慢下降的時期，LBNF項目將按照預定的目標實施，科學小組將更多地採用歐洲LHC的建造和運行模式，近期難以完成所有的規劃和設想，目前進入了項目的可行性研究階段。中微子在希格斯玻色子發現之後被認為是下一個階段物理學前沿領域的研究對象，中微子與其它亞原子粒子僅發生弱的相互作用，好像暗物質粒子和普通物質粒子不發生、或只發生微弱的相互作用一樣。

事實上，中微子含有「一丁點」物質，質量不為零的微小物質有助於中微子在形態上的轉化，邁著「輕快步伐」的中微子在宇宙空間馳騁時發生了「風味」變化，中微子的搖擺變化被物理學家稱為中微子震蕩，它是一種不帶電，質量極其微小的基本粒子，中微子有三種類型：電子中微子、μ中微子和τ中微子，它在目前已知物質世界的12種基本粒子中佔有了四分之一，中微子在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源與演化中扮演了極為重要的角色。它有一種特殊的性質，在傳送過程中從一種類型轉變為另一種類型、或發生了中微子振蕩。三種中微子原則上相互振蕩、兩兩組合，似乎形成了三種模式，自上世紀的60年代，科學家發現了其中的兩種模式跡象。前兩種振蕩模式的「太陽中微子之謎」和「大氣中微子之謎」得到實驗證實，日本物理學家獲得了2002年的物理諾獎，然而，中微子的第三種振蕩模型有待發現。

2012年3月8日，大亞灣中微子實驗室國際合作組在北京宣布，科學家在大亞灣中微子實驗室發現了新的中微子振蕩模式，他們測量了振蕩的幾率。這是對物質世界基本規律的一種新的認識，重要的發現將對中微子物理學未來的發展方向發揮決定性的作用，有助於破解宇宙反物質的消失之謎。中國大亞灣實驗室的成果具有極為重要的科學意義，科學家更深入地理解了中微子的基本特性，有必要進行下一代的中微子實驗，尋找宇宙物質和反物質不對稱性的原因。2012年12月20日，《科學》雜誌公布了2012年的十大科學突破，大亞灣中微子實驗室發現的中微子第三種振蕩模式登上榜單。《科學》雜誌發表了評語，「如果物理學家不能發現超越希格斯玻色子的新粒子，那麼中微子物理可能代表了粒子物理學的未來。大亞灣實驗室的成果可能標誌了這一領域起飛的時刻。」

粒子物理學家對中微子震蕩模式持有特別的興趣，如果中微子和反中微子在傳輸途中發生了「風味」變化，那麼這意味著物質和反物質的鏡面對稱性發生了意想不到的破裂。費米實驗室的喬·萊肯加入了P5科學小組，他解釋說理論學家從優雅的理論模型作出推斷，中微子與物質和反物質的對稱性破缺有關聯。LBNF實驗項目可能為物質和反物質的對稱性破缺提供決定性的證據，好像LHC為希格斯玻色子的存在提供了決定性的證據一樣。LBNF的實驗數據將給物理學家帶來了解物質世界的新視野，物質和反物質在宇宙誕生的早期發生了一場「大戰」，物質最終獲得了勝利，少量遺存的物質形成了可觀測宇宙的各類星體。一些簡單、直接的理論模型假定了物質和反物質的數量相等，它們「數量相等，性質相反」，嚴格遵循對稱性法則。

對神秘性中微子震蕩的詮釋將成為LBNF實驗室的最大「效用點」，LBNF實驗可能獲得其它不可預見的成果，任何人在任何時候進入中微子物理的研究領域，他們都會感到意想不到的驚奇。物理學家達成一致意見，共同研究一項關乎物理學未來的課題，這是相當困難的一件事情，物理學家「眾口難調」，他們偏好各自的研究領域，很難判斷某個領域代表了未來物理學的發展方向，中微子物理學似乎是個例外，P5科學小組的報告未遇到很大的爭議，物理學家一致認為，中微子在未來的物理學中處於優先的地位，建造大型的中微子實驗室，投資巨大，世界各國的科學家形成一個龐大的科學團隊，這是一個激動人心的科學選擇，科學界在達成共識的基礎上制定了實驗室工程的基本思路和建造方案，承載了未來物理學夢想的「重點工程」如何從藍圖變為現實，各國科學界的協同和配合必不可少。

（編譯：2014-5-28）

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