谢选骏：高能中微子的俘虏

 

《在俄罗斯小镇捕捉中微子》（MAXIM BABENKO, DENNIS OVERBYE 2018年7月24日）报道：

俄罗斯南部巴克桑中微子观测站的工作人员聚集在山洞口处，等待电动轨道车把他们送到几千米下的地下实验室。

在俄罗斯南部高加索山脉比邻格鲁吉亚的地方，有一个名叫涅特里诺的小镇。在过去的半个世纪里，这个小镇上的主要工作是研究宇宙中最微小、最虚无缥缈的物质，即很难捕捉到的、转瞬即逝的中微子。

巴克桑中微子观测站就坐落在这个小镇上。这个建在一座大山下的观测站由狭小的隧道和实验室组成，从山洞口进去约有3.6公里，上面覆盖着3500多米厚的岩石，以减少来自宇宙外部的宇宙射线的影响。一桶桶的液体在这里等待着记录不同来源的、携带着穿越时空信息的中微子，它们有的来自太阳的中心，有的来自爆炸的恒星，有的来自核反应堆，也有的来自大爆炸本身。中微子是宇宙中的幽灵骑手，它们基本上不受电磁这样的力量影响，不像其他的自然万物那样会与之相互作用。中微子能不受干扰地穿越岩石、土壤，甚至不知不觉地穿越我们的身体。正如约翰·厄普代克(John Updike)那句名诗所说，它们敢于“冒犯马厩中的牡马”。

在镓锗望远镜实验室里，一名工作人员正做计算。在附近一个鱼缸里游来游去的鱼既是同伴，也是实验室的放射性物质出问题时的预警系统。

目前为止最精确的测量显示，中微子的质量不到电子质量的百万分之一。巴克桑不是唯一致力于这种超现实事业的地方。

马克西姆·巴本科(Maxim Babenko)去年拍摄的这些照片中的男男女女们，与世界各地的深地实验室的科学家们同属于一个地下联盟。这些深地实验室包括：位于美国南卡罗来纳州里德一座废弃金矿里的桑福德地下研究所(Sanford Underground Research Facility)，位于意大利同名山脉下的格兰萨索国家实验室，位于加拿大安大略省的萨德伯里中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory)，位于日本池野山深处的超级神冈观测站(Super-Kamiokande)，以及埋在南极下面冰层中的一个名为冰立方(IceCube)的探测器阵列。

所有这些中微子实验室的工作者们都在试图倾听量子中透露的实在本质。到目前为止，让巴克桑最有名的成就之一是，用近60吨的液态镓捕捉到了太阳中心的热核反应发射的中微子。这个名为“苏联-美国镓实验”（Soviet-American Gallium Experiment，简称SAGE）的实验证明，科学家的确知道是什么在驱动我们最爱的恒星，地球上生命和光的来源。

尽管工资很低，而且需要不停地寻找经费，但像科海勒纳索夫博士这样的科学家们一直在默默无闻地从事着研究这种神秘粒子的工作。 

尽管工资很低，而且需要不停地寻找经费，但像科海勒纳索夫博士这样的科学家们一直在默默无闻地从事着研究这种神秘粒子的工作。

资深研究员瓦莱里·戈尔巴乔夫安装用锗的放射性同位素组建的计数器。每个计数器只有几十个锗原子。

电动轨道车运送工作人往返于地面和地下观测站的各处。有250多人在巴克桑工作，其中30人是科学家。

自从苏联解体之后，巴克桑的科学家们为了保护他们的镓，不得不同时抵御盗贼和俄罗斯政府，镓是一种每公斤售价500美元的元素。物理学家们知道，中微子至少有三种，由于其不同的亚原子起源，中微子被分为电子中微子、μ中微子和τ中微子。更让其难以琢磨的是，中微子有一种量子超能：它们可以从一种变成另一种，就像是一个越狱者在逃跑过程中换了衣服似的。比如，一个地方的核反应堆中释放的电子中微子，可以以μ中微子的形式出现在另一个地方的探测器中。这给计算宇宙中这种粒子的数量制造了困难。

穆萨比·波利耶夫负责观测站的地下闪烁计数望远镜的运行，这台巨大的仪器建于1977年，用来探测经过的中微子、测量其能量和运动方向。

如今的物理学家们一直在激烈争论是否有证据表明存在着第四种中微子，即惰性中微子。这是正在巴克桑老旧隧道中进行的名为“惰性转换巴克桑实验”（Baksan Experiment on Sterile Transitions，简称BEST）的新实验所研究的对象。虽然中微子是宇宙中最轻、最透明、或许也是最易变的粒子，但它们也是数量最多的一种，比构成人和普通物质的质子和电子多十亿倍。所以中微子对宇宙质量的贡献与可见恒星的贡献差不多。

来自地上的涅特里诺村的孩子们对世界杯充满梦想。当地的中学有约40名学生。

在涅特里诺附近的埃尔布鲁斯村，穿着传统服装的孩子们等待着一场表演和舞蹈晚会的开始，晚会是当地的一种消遣。

如果科学家在高加索山脉的洞穴里找到了以前不知道的中微子的话，那会影响宇宙膨胀的基本计算。南极的冰立方探测器本月检测到从其中经过的、来自遥远星系的高能中微子，这一发现引起了全世界的关注。

不知道自己受到外星访客骚扰的马儿们，正在巴克桑观测站外面的山上吃草。不管我们了解与否，生命一如既往。

一辆大汽车把巴克桑的工作人员送到附近的特尔内奥兹小镇，他们中大多数是机械师、调度员和其他后勤人员，不少人住在这个小镇。道路的另一个方向通往位于路尽头的埃尔布鲁斯山山坡上一个很受欢迎的滑雪胜地。

谢选骏指出：BBC好像对苏联的僵尸情有独钟，这大概是冷战的后遗症吧。其实，生命的活动是无所不在的。

《捕捉高能中微子，粒子天体物理家格陵兰岛冰层下设“陷阱”》（秦艺逍 澎湃新闻 2021/7/19）报道： 

7月的北极圈正处极昼。在全球最大岛屿格陵兰岛的冰原高处，粒子天体物理学家正在寻找宇宙中最强加速器带来的“中微子”。

通过在冰面及其下方数十米处放置数百个无线电天线，他们希望以“捕获”到比以往更高的中微子。“这是一个探索机器，正在寻找更高能量下的第一个中微子。”芝加哥大学的物理学家 Cosmin Deaconu 在格陵兰岛峰顶研究站介绍道。

此前，人类发现的能量最高的粒子来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，能够加速到7 TeV（1TeV=1万亿电子伏特）。而在北极探测到的中微子能量是大型强子对撞机粒子能量的1400多倍。

什么是中微子？

中微子神秘莫测，被认为是粒子界的“隐士”，它是一种在放射性衰变和核聚变中产生的粒子。

中微子不带电荷，几乎没有质量，而且与其他物质之间的相互作用极其微弱。因此，一颗高能中微子可以穿越整整一光年厚的铅层，而几乎不会打扰其中任何一个原子，形成了能量不守恒的假象。

20世纪20年代末，科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时，发现这个过程中有一部分能量不知去向。奥地利物理学家泡利对能量守恒定律深信不疑，于1930年提出：能量亏损的原因是有一种不带电的、质量极小的新粒子带走了缺失的能量和动量，由于与其他物质之间的相互作用极弱，所以无法被探测到。他把这种未知的粒子叫做“小中子”，就是现在说的“中微子”，意思是微型的中性粒子。

1956年，美国物理学家莱茵斯在一个核反应堆发射的中微子洪流中，通过中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的频闪首次证实了中微子的存在。他也因为这项成果在1995年获得了诺贝尔物理学奖。

中微子有何作用？

地球上各个地方的探测器偶尔会记录到超高能 (UHE) 宇宙射线的到来。这些原子核以极高的速度撞击大气层，导致单个粒子包含的能量和一个击球良好的网球一样多。研究人员想要查明它们的来源，但由于原子核带电，太空中的磁场扭曲了它们的路径，使它们的起源模糊不清。理论认为，当超高能 (UHE) 宇宙射线从源头发出，在碰撞来自宇宙微波背景的光子时，会产生所谓的“宇宙中微子”。由于不带电，这些中微子像箭一样笔直地飞向地球。

这就是中微子的作用所在：它是除了电磁波外，携带着宇宙中核反应信息的另一位信使。天体的核反应会发射出中微子，它们以光速穿越星系，且不与遍布宇宙的电磁波辐射发生相互作用，星系的磁场也不会对它们产生影响，其携带的最原始的信息得以被保留。如此特殊的性质使中微子可用于研究深空中所发生的一些天文现象。因此，自引力波之后，人类探索宇宙的下一个重大发现被认为或许就藏在宇宙中微子中。

如何探测中微子？

中微子难以捉摸的特性也导致了中微子的探测极端困难。众所周知，中微子几乎不会与物质相互作用。这使得此时此刻，有数万亿个中微子穿透读者的身体，只有极少数的中微子会与身体里的原子发生相互作用，从而暴露出它们的行踪。因此，必须监测大量物质才能捕获少量与原子碰撞的中微子。

此类最大的探测器是位于南极洲的“冰立方”（IceCube）中微子天文台。其位于南极洲约2.4公里深的冰层下1立方公里的冰块内，由86根装备了传感器的电缆所组成，每根电缆包含有60个光学传感器，这5160个传感器的使命就是观察冰层里中微子与原子碰撞产生的闪光。

传统的中微子探测器，比如位于日本的“超级神冈(super-kamiokande)”探测器是水罐，建立在废弃的矿井之下。而“冰立方”中微子天文台的大小为超级神冈的2万倍，但成本仅为其2倍。

南极“冰立方”中微子天文台

自 2010 年竣工以来，“冰立方”已探测到许多深空中微子，但只有少数几个被称为Bert、Ernie和Big Bird的深空中微子能量接近 10 拍电子伏 (1PeV=1000TeV，1000万亿电子伏特)。“这是宇宙中微子的预期能量” ，乌普萨拉大学教授、“冰立方”团队成员的Olga Botner说，“为了在合理的时间内探测到能量更高的中微子，我们需要监测更大体积的冰。”

中微子探测的最新进展

还有一种探测方法是利用中微子撞击产生的另一个信号：无线电波脉冲。由于波在冰内传播的距离可达1公里，所以在靠近冰面的地方，分布广泛的无线电天线阵列可以监测到更大体积的冰，且成本比“冰立方”更低。

由芝加哥大学、布鲁塞尔自由大学和德国加速器中心 DESY领导的格陵兰岛射电中微子天文台 (RNO-G) 是第一个协同测试该概念的项目。到 2023 年建成后，RNO-G将拥有 35 个站点，每个站点包含24个天线，总面积达 40 平方公里。此前，该团队在格陵兰岛冰原顶端美国运营的峰顶研究站附近安装了第一个站点，并已转移到第二个站点。

团队希望捕获的深空中微子被认为发源于猛烈的宇宙“引擎”——最有可能的能量来源是吞噬着周围星系物质的超大质量黑洞。“冰立方”已经追踪到的两个能量低于 Bert、Ernie 和 Big Bird 的深空中微子便来自具有大质量黑洞的星系——这表明科学家的研究在正确的轨道上。但科学家还需要更多能量更高的中微子来证实这一联系。

除了确定UHE 宇宙射线的来源之外，研究人员还希望中微子能显示出这些粒子是怎么来的。目前，探测UHE宇宙射线的两种主要仪器在构成上有所不同。来自犹他州望远镜阵列的数据推测它们完全由质子演变的，而阿根廷的皮埃尔·奥格天文台表示质子中混合了较重的原子核。由这些粒子产生的中微子的能谱应该根据它们的组成而有所不同——这反过来又可以为它们的加速方式和加速位置提供线索。

项目负责人之一、弗里德里希亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡分校的Anna Nelles 表示，RNO-G 可能会捕获足够多的中微子，从而揭示这些明显的能量差异。她估计 RNO-G 每年可能捕获多达3个宇宙中微子。但是，“如果不走运的话，探测到的数量可能会非常少，以至于只探测到一个可能就需要数万年。”

即使 RNO-G 被证明是一个等待游戏，它同时也是一个更大的无线电阵列测试平台，分布超过 500 平方公里，计划作为“冰立方”升级的一部分。如果宇宙中微子存在，第二代“冰立方”会找到它们，并解决它们是什么的问题。

谢选骏指出：天文学家自称他们捕捉了高能中微子，但我担心他们只是高能中微子的俘虏。